Ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế vector không gian

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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN QUỐC HÀ
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15_ 10_ 1974 Nơi sinh: THÁI NGUYÊN
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
ITÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU
CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

™ Nghiên cứu lý thuyết véc tơ không gian.
™ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế véc tơ không gian
™ Mô phỏng ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế véc tơ
không gian để điều khiển bộ nghịch lưu.

IIIIIIVVVI-

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2003
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/12/2003
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VĂN NHỜ
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ NHẬN XÉT1

CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

TS. NGUYỄN VĂN NHỜ
TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

Ngày ….. tháng…… năm2004.
PHÒNG ĐÀO TẠO -SĐH

CHỦ NHIỆM NGÀNH


LỜI CÁM ƠN

Qua quá trình học tập, với sự giảng dạy tận tình của các
Thầy, cô trong trường và sự giúp đỡ của các bạn trong lớp
KTĐ K12, Tôi đã hoàn thành các môn học của mình.
Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của Trường Đại
Học Bách Khoa, phòng quản lý sau Đại học đã hỗ trợ tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tập luận văn này.
Tôi xin cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô trường Đại học Bách
Khoa, Thầy Cô giảng dạy trong các năm học qua, đặc biệt:
Thầy Ts. NGUYỄN VĂN NHỜ đã trực tiếp hướng dẫn tôi
hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cám ơn các bạn học viên cao học khóa 12
Kỹ Thuật Điện đã đóng góp nhiều ý kiến quý giá giúp tôi hoàn
thành tập luận văn này.

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Mục lục
Chương 0: chương mở đầu
Chương I: Vector không gian của các đại lượng ba pha
I. Vector không gian của các đại lượng ba pha
I.1 Xây dựng vector không gian
I.2 Chuyển đổi hệ tọa độ vector không gian
7
I.3 Khái quát ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha
Trên hệ tọa độ từ thông Rotor
I.4 Mô hình toán của ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc
I.5 Tóm tắc chương I
Chương II: Điều khiển biến tần dựa trên cơ sở phương pháp điều chế
vector không gian.
II. Điều khiển biến tần dựa trên cơ sở phương pháp điều chế
vector không gian.
II.1 Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian
II.2 Cách tính và thực hiện thời gian đóng ngắt trên biến tần
II.3 Một số vấn đề liên quan đến DEAD_TIME
Chương III: Lý thuyết về kỹ thuật số
III.1 Kỹ thuật Analog
III.2 Kỹ thuật Digital
III.3 Giới thiệu về FPGA
III.4 Các đặc điểm của FPGA
III.5 Cấu trúc của FPGA
Chương IV: Mô phỏng và kết quả
IV.1 Thiết kế mạch điều khiển
42
IV.2 Mô phỏng và kết quả

Chương V: chương kết luận:
V.1 Tổng kết
V.2 Kết luận và đánh giá
V.3 Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển

1
4
5
5

11
15
18
19
20
23
27
28
29
30
30
33
33
34
41

44
49
50
50

51


Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 0:
CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Nguyễn Quốc Hà

Trang 1


Luận Văn Tốt Nghiệp
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tích hợp
IC ngày càng phát triển nên tạo ra các thiết bị gọn nhẹ có tính năng cao,
dung lượng lớn … do đó người viết luận văn muốn ứng dụng kỹ thuật số để áp
dụng trong kỹ thuật điều chế vector không gian. Phương pháp điều chế vector
không gian tuy không mới nhưng đây là một bài toán mở, nó đưa ra các
hướng đi mới như: bài toán nghịch lưu đa bậc, Matrix inverter, … để tạo ra các
thiết bị điều khiển ngày càng hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, việc áp dụng lý
thuyết này trên thực tế tại Việt Nam chưa nhiều do đó trong khuôn khổ luận
văn này, người viết muốn sử dụng kỹ thuật số để ứng dụng điều chế vector
không gian hai bậc.
0.1 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN:
-Nghiên cứu lý thuyết véc tơ không gian.
-Nghiên cứu về phương pháp điều chế véc tơ không gian.
-Ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế véc tơ không gian.
0.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI:
Phương pháp điều chế véc tơ không gian là phương pháp mang tính

hiện đại trong việc ứng dụng điều khiển máy điện xoay chiều và có thể mở
rộng để triển khai trong các hệ thống điện 3 pha.
Ngày nay, việc ứng dụng kỹ thuật số trong việc điều khiển đều mang
tính phổ biến vì công nghệ tích hợp ngày càng phát triển nên tạo ra các thiết
bị điều khiển rất gọn nhẹ như: Microprocesor, DSP, FPGA …Do đó, người
thực hiện muốn ứng dụng kỹ thuật FPGA (A Field Programmable Gate
Array) trong kỹ thuật điều chế véc tơ không gian để điều khiển bộ nghịch
lưu.
0.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
™ Nghiên cứu lý thuyết véc tơ không gian.
™ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế véc tơ không gian
™ Mô phỏng ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế véc tơ
không gian để điều khiển bộ nghịch lưu.
0.4 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ:
1.EKH Van Der Pols; JDL Hacsakkers. Design and Implemetation of A
PWM for 3 Lever Invector Using μP and EPLD. IEEE 1993.
Nguyễn Quốc Hà

Trang 2


Luận Văn Tốt Nghiệp
2.Monoconic chip-set: Complete Control System for Digital PWM
Inverter Drivers. IEEE 1993
0.5 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI:
1.Giới thiệu lý thuyết véc tơ không gian: Trong chương này, người viết
đã tổng hợp lại lý thuyết về vector không gian nhằm cho người đọc nắm rõ
về lý thuyết này.
2.Phương pháp điều chế véc tơ không gian: Trong phần này, người viết
nêu lên các phương pháp điều chế vector không gian, sau đó đưa ra các công

thức liên quan để ứng dụng cho các phần tiếp theo.
3.Lý thuyết về Kỹ thuật số: Trong phần này, người viết đã đưa ra các
kỹ thuật điều khiển số ứng dụng để điều chế vector không gian sau đó đưa ra
giải pháp lựa chọn kỹ thuật FPGA và cấu trúc của FPGA để người đọc nắm
được các kỹ thuật ứng dụng và lý thuyết của FPGA.
4. Mô phỏng và kết quả: Trong phần này, người viết phân tích đưa ra
giải thuật, tiến hành mô phỏng bằng phần mềm MAXPLUS II của Hãng
ALTERA, đưa ra kết quả, kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài.
5. Chương kết luận: Trong chương này người viết tổng kết, đánh giá,
kết luận và đưa ra một số đề nghị.
6. Phần phụ lục: trong phần này, người viết đưa ra chương trình điều
khiển của toàn bộ hệ thống.

Nguyễn Quốc Hà

Trang 3


Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG I:
VECTOR KHÔNG GIAN CỦA
CÁC ĐẠI LƯNG BA PHA

Nguyễn Quốc Hà

Trang 4


Luận Văn Tốt Nghiệp

I. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯNG BA PHA.
I.1 XÂY DỰNG VECTOR KHÔNG GIAN:
Động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) - dù là Động cơ không đồng bộ
(ĐCKĐB) hay hay động cơ đồng bộ (ĐCĐB)-đều có 3 cuộn dây Stator với
dòng điện ba pha, bố trí không gian tổng quát như trong hình I.1.
Pha U
•
isu

Pha V
•

isv

Pha W
•
isw

Rotor
Stator

Hình I.1: Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của ĐCXCBP.
Trong hình này,ba dòng điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu
nối vào động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của
biến tần. Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:
i su (t ) + i sv (t ) + i sw (t ) = 0
(I.1)
Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau đây:
⎧i su (t ) = i s cos(ω s t )

⎪⎪
0
⎨i sv (t ) = i s cos ω s t + 120
⎪
0
⎪⎩i sw (t ) = i s cos ω s t + 240

(
(

)
)

(I.2)

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), ĐCXCBP có 3
cuộn dây lệch nhau một góc 1200. Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa
độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây U của động cơ, ta có thể xây dựng
vector không gian sau đây:
i s (t ) =

[

0
0
2
i su (t ) + i sv (t )e j120 + i sw (t )e j 240
3
= i s e jγ

Nguyễn Quốc Haø

]

(I.3)

Trang 5


Luận Văn Tốt Nghiệp
Theo công thức (I.3), vector is(t) là một vector có modul không đổi
quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc ωs = 2πfs và tạo với trục
thực (đi qua trục cuộn dây pha U) một góc pha γ = ωst. Trong đó fs là tần số
mạch Stator. Việc xây dựng vector is(t) được mô tả trong hình (I.2).
Im
e j120

1

0

v

u

w
e j 240

γ
Re

2
i su (t )
3
0
2
i sv (t )e e120
3

0

0
2
i sw (t )e e 240
3

Hình I.2: Thiết lập vector không gian từ đại lượng pha.
Qua hình I.2 ta dễ dàng thấy rằng các dòng điện của từng pha chính là
hình chiếu của vector mới thu được trên trục của cuộn dây pha tương ứng.
Đối với các đại lượng khác của động cơ như: điện áp, dòng Rotor, từ thông
Stator hoặc từ thông rotor, ta đều có thể xây dựng các vector không gian
tương ứng như đối với dòng điện kể trên. Ta hãy đặt tên cho trục thực của
mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là β hãy quan sát hình chiếu của
vector dòng ở trên xuống hai trục đó. Hai hình chiếu được đặt tên là hai dòng
isα và isβ (hình I.3).
β
is
is

isβ

Cuộn dây

pha V

1200
Cuộn dây

isv

120

0

pha U

isu = isα
1200

α

Cuộn dây

pha W

Hình I.3: Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian
Nguyễn Quốc vớ
Hài các phần tử isα và isβ thuộc hệ tọa độ stator cố định.Trang 6


Luận Văn Tốt Nghiệp

Dễ dàng nhận thấy rằng hai dòng điện trên là hai dòng hình sin. Như
trong lý thuyết máy điện đã đề cập đến một cách kỹ lưỡng. Ta có thể hình
dung ra một động cơ tương ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho
ba cuộn u, v và w. Điều cần ghi nhớ ở đây là: hệ tọa độ nói trên là hệ tọa độ
stator (viết tắt là: TĐST) cố định, để phân biệt với tọa độ quay sẽ đề cập đến
sau này.
Trên cơ sở công thức (I.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của ba
cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo hai trong số ba dòng điện stator
(ví dụ isu và isv) là đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong
công thức (I.4). Cần ghi nhớ rằng công thức (I.4) chỉ đúng khi trục của cuộn
dây pha U được chọn làm trục quy chiếu chuẩn (reference axis) như trong
(hình I.3). Điều này đều có ý nghóa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ
thống điều khiển/điều chỉnh sau này:
(I.4a)
⎧i sα = i su
⎪
í
⎨
⎪i sβ = 3 (i su + 2i sv )
⎩

(I.4b)

Bằng cách tương tự như đối với vector dòng Stator, các vector điện áp
Stator us, dòng Rotor ir, từ thông Stator Ψs hoặc từ thông Rotor Ψr điều có thể
biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ TĐST.
⎧i s = i sα + ji sβ
(I.5a)
⎪

(I.5b)
⎪u s = u sα + ju sβ
⎪
(I.5c)
⎨ir = irα + jirβ
⎪
(I.5d)
⎪ψ r = ψ rα + jψ rβ
(I.5e)
⎪ψ = ψ + jψ
⎩

s

sα

sβ

Trên đây, ta đã ôn lại các khái niệm và quy ước cơ bản trong việc xây
dựng các vector trong không gian (cơ học) đối với các đại lượng xoay chiều
ba pha của ĐCXCBP. Các vector đó được biểu diễn trên hệ TĐST cố định.
Mặt khác, vì mục đích cụ thể ta cũng có thể biểu diễn các vector thu được
trên một hệ tọa độ bất kỳ thông qua phép chuyển sang hệ tọa độ khác.
I.2 CHUYỂN ĐỔI HỆ TỌA ĐỘ VECTOR KHÔNG GIAN.

Nguyễn Quốc Hà

Trang 7

Luận Văn Tốt Nghiệp
Trên đây là hệ TĐST hay còn gọi là còn gọi là hệ tọa độ α, bây giờ ta
hãy xét hệ tọa độ tổng quát xy, mặt khác ta còn hình dung một hệ tọa độ thứ
hai với các trục x*y* gốc và nằm lệch đi một góc v* so với hệ xy.
Quan sát một vector V bất kỳ ta thu được:
Trên hệ xy:
Trên hệ x*y*:

Vxy = x + jy
V* = x* + jy*

(I.6)
(I.7)

jY
jY*

V

y

X*
ω* =

x*
y

dV *
dt

V*

*

x
X
Hình I.4: Chuyển đổi hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V.
Ta dễ dàng rút ra từ hình I.4 kết quả sau đây:

(I.8a)
(I.8b)

⎧⎪ x * = x cos V * + y sin V *
⎨ *
⎪⎩ y = − x sin V * + y cos V *
Thay (I.8a) vaø (I.8b) vào (I.7) ta có:

(

) (

V = x cos V * + y sin V * + j − x sin V * + y cos V *
*

(

)

= ( x + jy ) cos V * − j sin V * = V e − jV
xy

*

)

(I.9a)
(I.9b)

Một cách tổng quát ta thu được từ (I.9a) và (I.9b) công thức chuyển hệ
tọa độ sau đây:
xy
V = V * e jV ⇒ V * = V xy e − jV
(I.10)
* *
Cho đến đây hai hệ tọa độ xy và x y được coi là hệ tọa độ cố định,
hay nói cách khác: góc lệch V được coi là không đổi. Trên thực tế V* có thể
là một góc biến thiên với tốc độ gốc ω* = dV*/ dt, trong trường hợp ấy hệ tọa
độ x*y* là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ gốc ω* xung quanh điểm gốc hệ tọa
độ xy.
Bây giờ ta quay trở lại với vector dòng stator mà ta đã xét trên (hình
I.3), trong đó hệ TĐST-hoặc hệ tọa độ αβ cũng vậy, tương ứng với hệ xy
*

Nguyễn Quốc Hà

*

Trang 8

Luận Văn Tốt Nghiệp
trong (hình I.4). Giả thiết, ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ gốc
ω = dV/ dt, trong đó V là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đã qui ước là
trục đi qua tâm của cuộn dây pha U). Hình I.5 mô tả quan sát kể trên, trong
hình đó còn biểu diễn hai vector dòng Stator is và từ thông Rotor ψr với modul
và góc pha ngẫu nhiên nào đó. Vector từ thông ψr quay với tốc độ góc ωs =
2πfs = dVs/ dt, trong đó fs là tần số mạch điện Stator.
jβ
jq

Cuộn dây
pha V isβ

is
ψr

isq
Rotor

Trục từ thông rotor
d
Trục rotor
ωs

isd

ω

Vs V
isα

Cuộn dây α
pha U

Cuộn dây
pha W
Hình I.5: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor,
còn gọi là hệ tọa độ dq.
Ta dễ dàng nhận thấy trên (hình I.5), đối với trường hợp ĐCXCBP là
ĐCĐB thì trục của từ thông Rotor cũng là trục của Rotor, dù ĐCĐB đó là
loại kích thích ngoài hay kích thích vónh cữu. Trong trường hợp ấy ta có ω =
ωs. Nếu ĐCXCBP là loại ĐCKĐB, thì sự chênh lệch giữa ω và ωs (tạm giả
thiết số đôi cực là một) sẽ tạo nên dòng điện Rotor với tần số fr, dòng điện
đó cũng có thể được biểu diễn dưới dạng vector ir quay với tốc độ góc ωr =
2πfr.
Nếu ta xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với
hướng của vector ψr và gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ hệ αβ (xem hình I.5)
và đặt tên cho các hệ trục tọa độ mới là d và q, ta dễ dàng thấy rằng hệ tọa
Nguyễn Quốc Hà

Trang 9


Luận Văn Tốt Nghiệp
độ mới được định nghóa là một hệ quay xung quanh điểm gốc chung, với tốc
độ gốc là ωs và vector is có các phần tử mới là isd và isq. Để dễ nhận biết xem
vector được quan sát trên hệ tọa độ nào, ta qui ước thêm 2 chỉ số mới được
viết bên tay phải trên cao: f (thay cho field coordinates hoặc hệ tọa độ dq) và
s (thay cho Stator coordinates hoặc tọa độ αβ).
Ví dụ:

-iss: vector dòng Stator quan sát trên hệ tọa độ αβ.
-ifs: vector dòng Stator quan sát trên hệ tọa độ dq.
Từ đó ta có:
(I.11a)
(I.11b)

i s = i sα + ji sβ
s

i s = i sd + ji sq

Nếu biết góc Vs ta có thể dễ dàng tính được iss bằng công thức (I.10)
f
s
i s = i s e − jV
(I.12)
s

hoặc một cách chi tiết hơn:
⎧⎪i sd = i sβ sin Vs + i sα cos Vs
⎨
⎪⎩i sq = i sβ cos Vs − i sα sin Vs

(I.13a)
(I.13b)

Trong đó is cũng như các phần tử isα, isβ đã được tính bằng phương trình
(viết tắt: pt (I.4a) và (I.4b) trên cơ sở các dòng pha đo được isu, isv).
Toàn bộ quá trình các diễn giải ở trên được tổng kết lại một cách đầy đủ
trong hình I.6).

•
•
Đ.khiển biến tần

3∼
Pt (I.10)
isd
isq

e-jVs

Vs

u v w

Pt (I.4)
isα
isβ

3
2

Biến tần

isu
isv

•)
•)

•

M
3∼

ĐCXCBP

Hình I.6: Thu thập giá trị thực của vector dòng Stator trên hệ tọa độ 10
Nguyễn Quốc Hà
Trang
từ thông Rotor (còn gọi là hệ tọa độ dq).


Luận Văn Tốt Nghiệp

Một ưu điểm dễ nhận thấy ở hệ tọa độ mới là ở chỗ, do các vector is và
ψr cũng như bản thân hệ tọa độ dq quay đồng bộ vơí nhau với vận tốc gốc ωs
quanh điểm gốc, các phần tử của vector (ví dụ: isd, isq) là các đại lượng một
chiều. Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử đó thậm chí có thể không
đổi. Trong quá trình quá độ, chúng có thể biến thiên theo một thuật toán đã
định trước.
Mặt khác, trên cơ sở (hình I.6) ta có thể nhận thấy ngay khó khăn thực
tiễn của việc tính isd và isq là việc xác định góc Vs. Trong trường hợp ĐCĐB,
góc đó được xác định một cách dễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng quay
(máy phát xung kèm vạch 0, resolver). Trường hợp ĐCKĐB, góc Vs được tạo
nên bởi tốc độ góc ωs = ω + ωr, trong đó chỉ có ω là có thể đo được. Ngược
lại, ωr =2πfr với fr là tần số của mạch Rotor ta chưa biết. Vậy phương pháp
mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng phương pháp tính ωr một cách
chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển/điều chỉnh tực theo từ thông
Rotor (viết tắt: T4R).

Một cách tương tự như đối với vector dòng Stator, ta có thể biểu diễn
tất cả các vector còn lại trên hệ tọa độ dq.
⎧u sf = u sd + ju sq
⎪ f
⎪⎪i r = ird + jirq
⎨ f
⎪ψ s = ψ sd + jψ sq
⎪ f
⎪⎩ψ r = ψ rd + jψ rq

(I.14a)
(I.14b)
(I.14c)
(I.14d)

Nếu ta để ý thì sẽ nhận thấy trong phương trình (I.14c) có ψrq = 0 do
trục q đứng vuông góc với bản thân vector ψr. Tuy nhiên, trên thực tế rất khó
tính được tuyệt đối chính xác góc Vs, do đó ta vẫn giữ ψrq để đảm bảo tính
khách quan trong khi quan sát.
I.3 KHÁI QUÁT ƯU THẾ CỦA VIỆC MÔ TẢ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TỪ THÔNG ROTOR.
Trước hết ta hãy xem xét hệ truyền động động cơ một chiều
(TĐĐMC), cụ thể là động cơ một chiều (viết tắt: ĐCĐM) có kích thích độc
lập với sơ đồ cơ bản như trong (hình I.7).
Ta hãy xét hai phương trình sau đây của ĐCMC:
⎧m M = k1ψ 1i M
(I.15a)
⎨
(I.15b)
⎩ψ M = k 2 i K

Trong hai phương trình trên các ký hiệu có nghóa như sau:
Nguyễn Quốc Hà

Trang 11


Luận Văn Tốt Nghiệp
mM: momen quay của động cơ.
ψM: từ thông động cơ.
iM: dòng phần ứng.
iK: dòng kích thích.
k1k2: các hằng số động cơ.

Nguyễn Quốc Hà

Trang 12


Luận Văn Tốt Nghiệp

•

RM

LM
iM

uM
•

ĐCXCBP

M

LK

Phần ứng
RK

iK

Phần
kích thích
•
•
uK
Hình I.7: Sơ đồ cơ bản của động cơ điện một chiều có kích thích độc lập.
Pt (I.15b) cho thấy rất rõ ràng rằng từ thông động cơ ψM chỉ phụ thuộc
vào dòng kích thích ik. Nói cách khác, bằng dòng ik ta có thể điểu khiển/điều
chỉnh và khống chế được ψM một cách dễ dàng. Thông thường trong phạm vi
giải tốc độ quay bé hơn tốc độ quay danh định, ψM được giữ ổn định ở giá trị
danh định. Ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ danh định, tùy thuộc vào tốc độ quay
cụ thể ta phải giảm bớt ψM bằng cách giảm ik để giữ cho sức từ động cảm ứng
(STĐCƯ) khỏi quá lớn. Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của động cơ, do từ
thông đã được điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi, momen quay mM
trong pt (I.15a) tỷ lệ thuận với dòng phần ứng iM. Tóm lại, đối với ĐCĐMC
kích thích độc lập ta có:
ψM ∼ ik và mM ∼ iM
Hai dòng ik và iM có thể được sử dụng trực tiếp làm đại lượng điều
khiển cho từ thông và momen quay động cơ nếu như ta thành công trong việc

áp đặt nhanh hai dòng điện đó. Đến đây ta có thể trả lời được ngay vấn đề
trên: do cấu trúc đơn giản của mạch kích từ và mạch phần ứng, việc áp đặt
nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là vấn đề dễ dàng và đã được giải
quyết từ lâu.
Quay trở lại với ĐCXCBP, ở đây không tồn tại các tương quan minh
bạch (dòng ∼ từ thông, dòng ∼ momen ) như trên nữa, ở đây tồn tại một cấu
trúc mạch và các đại lượng điện ba pha phức tạp. Bởi vậy, phương pháp mô
tả ĐCXCBP trên hệ tọa độ từ thông Rotor là phép mô tả dẫn tới các tương
quan giống như đối với ĐCMC, nhằm đạt được các tính năng điều chỉnh/điều
khiển tương tự với ĐCMC.
Nguyễn Quốc Hà

Trang 13


Luận Văn Tốt Nghiệp
Để có thể có được một ý niệm về ưu thế của phương pháp mô tả T4R, ở
phần này ta đưa ra các công thức cuối cùng của cả hai loại động cơ (ĐCKĐB
và ĐCĐB) kèm theo cấu trúc phần mềm điều khiển hệ thống đã đơn giản
đến mức tối thiểu.
I.3.1.ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC.
Ngoài loại động cơ kể trên, còn tồn tại loại động cơ không đồng bộ ba
pha Rotor dây quấn. Tuy vậy, loại Rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối
trên thị trường vì lý do dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ. Mặt
khác, các ưu thế xưa kia của loại Rotor dây quấn về khả năng dễ điều
khiển/điều chỉnh không còn tồn tại nữa. Sự phát triển vũ bão của kỹ thuật vi
điện tử/vi xử lý với giá thành ngày càng hạ, đã cho phép thực hiện thành
công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại Rotor lồng sóc. Vì lý do
ấy, ta chỉ đề cập đến loại có Rotor lồng sóc và ký hiệu viết tắt ĐCKĐB cũng
duy nhất chỉ vào loại đó.

Sau khi xây dựng xong vector không gian cho các đại lượng dòng, áp,
từ thông động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ tọa độ từ
thông Rotor (tọa độ dq) ta thu được các quan hệ đơn giản sau đây giữa
momen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng Stator:
L
⎧
⎪ψ rd = 1 ÷ pT i sd
⎪
r
⎨
⎪ m = 2 Lm p ψ i
⎪⎩ M 3 Lr c rd sq

(I.16a)
(I.16b)

Với:
ψrd: phần tử d của vector từ thông Rotor (cũng chính là modul của
vector).
isd, isq: các phần tử d và q của vector dòng Stator.
mM: momen quay của động cơ.
Lr, Lm: điện cảm Rotor, hỗ cảm giữa Stator và Rotor.
pc: số đôi cực của động cơ.
Tr: hằng số thời gian của Rotor.
p: toán tử Laplace.
Pt (I.16a) cho ta thấy từ thông Rotor có thể được tăng giảm gián tiếp
thông qua tăng giảm isd điều đáng lưu ý là quan hệ (I.16a) giữa hai đại lượng
là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr. Nếu thành công trong việc
áp đặt nhanh và chính xác dòng điện isd, ta có thể xem isd là đại lượng điều
Nguyễn Quốc Hà

Trang 14


Luận Văn Tốt Nghiệp
khiển của từ thông Rotor. Trong các tài liệu kỹ thuật isd được gọi là dòng kích
từ và do đó giữ vai trò tương tự như ik trong (I.15b) đối với ĐCMC.
Nếu dùng isd thành công trong việc điều chỉnh ổn định ψrd trong quá
trình hoạt động của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt nhanh và
chính xác dòng isq, theo pt (I.16b) sẽ có thể coi isq là đại lượng điều khiển của
momen động cơ. Do đó, isq được gọi là dòng tạo momen quay và giữ vai trò
tương tự như iM trong (I.15a) đối với ĐCMC. Các đặc tính vừa điểm qua cho
phép ta xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống như trong (hình I.8).
Trên cơ sở các tính năng lý tưởng mà đến nay ta luôn giả thiết cho bộ
điều chỉnh dòng (viết tắt: ĐCD), ta thu được một cấu trúc hệ thống điều chỉnh
hoàn toàn giống như các hệ thống TĐĐMC, cách tính toán thiết kế các bộ
điều chỉnh tốc độ vòng quay (viết tắt: ĐCTĐVQ) và điều chỉnh vị trí (viết tắt:
ĐCVT)- hoặc điều chỉnh góc (viết tắt: ĐCG)- cũng tương tự.
Với cách quan sát mới ta không còn quan tâm đến dòng từng pha riêng
lẻ nữa, mà là toàn bộ vector: tại từng điểm làm việc của động cơ, vector is
phải cung cấp 2 thành phần thích hợp: isd để điều khiển từ thông Rotor, isq để
sản sinh momen quay như bộ ĐCTĐQ đòi hỏi. Nếu ta lưu tâm kỹ sẽ thấy
trong (hình I.8) còn thiếu một bộ điều chỉnh từ thông (viết tắt: ĐCTT). Do
tính chất trễ của quan hệ ψrd ∼ isd cần phải có khâu ĐCTT để gia tốc thêm
quá trình từ hóa bên trong động cơ.

ψrd ∼ isd
ω*

V*

V

Điều
Khiển
chỉnh
biến tần
usd
d ø

_

ω _

Điều
chỉnh vị trí

usq

•-

3∼

mM ∼ isq

Biến

u v w

Điều
chỉnh tốc

•

+•

is
is
Đo tốc độ
quay

•)
•)

M
3∼

ĐCXCBP

Hình I.8: Cấu trúc hệ thống TĐĐXCBP đơn giản trên cơ sở phương pháp
T4R.
Nguyễn Quốc Hà

Trang 15


Luận Văn Tốt Nghiệp

I.3.2. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA KÍCH TỪ VĨNH CỬU.
Trong thực tiễn còn được sử dụng loại ĐCĐB có kích từ ngoài. Đặc
tính chung của cả hai loại động cơ là có từ thông ψp có bố trí phân cực rõ

ràng. Đối với loại có kích thích ngoài, phân cực đó là do bố trí có định hướng
của cuộn dây Rotor được cấp dòng kích thích một chiều độc lập từ bên ngoài.
Đối với loại kích thích vónh cửu, định hướng đó xuất hiện là do phân bố các
nam châm vónh cửu-bằng vật liệu gì, đó không phải là mối quan tâm của
người làm hệ thống điều khiển-trên bề mặt Rotor. Vì lý do ấy, chúng ta chỉ
cần xét đến loại có kích thích vónh cửu, ký hiệu viết tắt ĐCĐB là dành cho
loại động cơ đó. Sau này hoàn toàn bằng phương pháp tương tự, ta có thể xây
dựng thuật toán cho loại kích thích ngoài. Trên hệ tọa độ dq ta có phương
trình momen quay sau đây:
mM =

Với:

[

]

3
p c ψ p i sp + i sd i sq (L sd − Lsq )
2

(I.17)

ψp: từ thông Rotor vónh cửu (p: permanent).
Lsd: điện cảm Stator dọc theo trục d.
Lsq: điện cảm Stator dọc theo trục q (vuông góc với trục d).
Về ý nghóa của Lsd và Lsq ta sẽ đề cập đến sau này. Do kích thích vónh
cửu, vector is không cần chứa các thành phần kích từ isd (isd = 0) mà chỉ cần
chứa các thành phần sản sinh momen quay isq. Điều ấy có nghóa là, vector is
phải đứng vuông góc với vector từ thông Rotor. Tóm lại, từ pt (I.17) ta thu

được (I.18).
mM =

3
pcψ p i sq
2

(I.18)

Qua hai pt (I.17) vaø (I.18), ta dễ dàng nhận thấy rằng hệ thống
TĐĐXCBP trong (hình I.8) là thích hợp cả cho ĐCĐB. Để sử dụng hệ thống
đó ta chỉ việc đặt giá trị cần isd = 0.
I.4. MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) BA
PHA ROTOR LỒNG SÓC.
Về phương diện động, ĐCKĐB được mô tả bởi hệ phương trình vi phân
bậc cao rất phức tạp. Vì cấu trúc phân bố của cuộn dây phức tạp về mặt
không gian và cấu trúc các mạch từ móc vòng. Do đó để đơn giản, khi xây
dựng mô hình toán cuả ĐCKĐB ta chấp nhận một số các điều kiện sau:
♦ Các cuộn dây Stator được bố trí đối xứng về mặt không gian.
♦ Các tổn hao về sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua.
Nguyễn Quốc Hà

Trang 16


Luận Văn Tốt Nghiệp
♦ Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
♦ Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi.
Việc xây dựng mô hình toán này nhằm mục đích mô phỏng tương đối
chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ. Mô hình này chỉ để phục vụ

cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Tuy nhiên sự sai lệch giữa đối
tượng và mô hình là sai lệch trong phạm vi cho phép, các sai lệch này sẽ
được loại trừ bằng các biện pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh.
Một số ký hiệu được sử dụng trong luận văn này:
♦
Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phiá trên:
f
: Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông Rotor (tọa độ dq)
s
: Đại lượng quan sát trên hệ toạ độ stator.
r
: Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor.
♦
Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phía dưới:
♦ Chữ cái đầu tiên:
s
: Đại lượng của mạch stator.
r
: Đại lượng của mạch Rotor.
♦ Chữ cái thứ hai:
d,q : Phần tử thuộc hệ tọa độ d,q.
α,β : Phần tử thuộc hệ tọa độ αβ.
u,v,w : Đại lượng thuộc pha u,v,w.
♦ Đại lượng viết có gạch dưới:
Chữ in : Ma trận.
Chữ thường: Vetor.
Ví dụ:
uf s
: vector điện áp stator được quan sát trên hệ toạ độ dq.
usd : phần tử d của vector điện áp stator.

isα
: phần tử α của vector dòng stator.
I.4.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ:
Hệ phương tình điện áp trên 3 cuộn dây stator của động cơ như sau:
dψ su (t )
dt
dψ sv (t )
u sv = Rs i sv (t ) +
dt
dψ sw (t )
u sw = Rs i sw (t ) +
dt
u su = Rs i su (t ) +

Nguyeãn Quốc Hà

(I.19a)
(I.19b)
(I.19c)
Trang 17


Luận Văn Tốt Nghiệp

Với:
: Điện trở của cuộn dây stator.
Ψsu,Ψsv,Ψsw : từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w.
Chuyển thành vector không gian ta được:
Rs

u s (t ) =

[

0
0
2
u su (t ) + u sv (t )e j120 + u sw (t )e j 240
3

]

(I.20)

Thay các điện áp pha trong các công thức (I.19a, I.19b, I.19c) vào
(I.20) ta có phương trình điện áp stator dưới dạng vector trên hệ tọa độ stator
như sau:
u =R i +
s
s

s
s s

dψ ss

(I.21)

dt

Tương tự đối với cuộn dây Rotor, ta sẽ có phương trình điện áp của
mạch rotor trên hệ tọa độ rotor như sau:
(I.22)

dΨr
dt
r

0 = Rr i r +
r

Ta có phương trình của từ thông stator và từ thông rotor sau:
Ψ s = i s L s + i r Lm

(I.23)

Ψ r = i s L m + i r Lr

Trong đó:
Lm
: Hỗ cảm giữa rotor và stator
Lσs
: Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator.
Lσr
: Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor đã quy đổi về
stator.
Ls = Lm+ Lσs: Điện cảm stator.
Lr = Lm+ Lσr: Điện cảm rotor.
Dùng công thức chuyển hệ trục tọa độ ta có:
u S = u S e jϑ k ; i S = i S e jϑ k ; Ψ S = Ψ S e jϑ k ;

s

k

s

k

s

k

(I.24)

Đạo hàm bậc nhất của hàm từ thông ta có:

Nguyễn Quốc Hà

Trang 18


Luận Văn Tốt Nghiệp
d Ψ S d Ψ S jϑ k
k
=
e + jω k Ψ S e j ϑ k
dt
dt
s

k

(I.25)

Với ϑk là góc giữa trục thực của hệ tọa độ bất kỳ “k” và trục α cuả hệ
tọa độ stator. ωk = dϑk/dt.
Thay (I.24) vào (I.21) ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator:
dΨs
k
+ jω k ψ s
dt
k

u s = Rs i s +
k

k

Đây là phương trình dạng tổng quát áp dụng cho hệ tọa độ bất kỳ “k”.
♦ Đối với hệ toạ độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ):
Trường hợp này xảy ra khi ωk = 0 đây là hệ toạ độ cố định. Phương trình
điện áp stator có dạng như sau:
dΨs
dt
s

u s = Rs i s +
s

s

♦ Đối với hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor:
dΨs
f
u =R i +
+ jω s Ψ s
dt
f

f
s

f
s s

Trường hợp này xảy ra khi ωk = ωs. Vì hệ tọa độ này có trục thực d
trùng với trục của từ thông rotor ψr , vì vậy không tồn tại thành phần trục q
của vector ψr.
I.5 TÓM TẮT CHƯƠNG I
Chương I vừa tóm tắt một cách ngắn gọn cách thức xây dựng vector
không gian cho các đại lượng ba pha của động cơ xoay chiều ba pha và cách
chuyển hệ tọa độ quan sát cho vector đó. Đặc biệt là chuyển quan sát các
vector lên hệ từ thông Rotor-hệ tọa độ quay tròn với tốc độâ góc ωs = 2πfs (fs
là tần số của mạch Stator) quanh điểm gốc và có trục thực đi qua trục từ
thông Rotor-đã đưa đến các quan hệ tỷ lệ giữa momen quay, từ thông và các
thành phần của vector dòng Stator, cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh
truyền động tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều.
Thông qua (hìnhI.8)-khái quát về cấu trúc hệ thống điều chỉnh-ta nhận
thấy rằng khâu then chốt để đảm bảo cho hệ TĐĐCXCBP đạt được các tính
năng và chất lượng như hệ TĐĐMC chính là khâu điều chỉnh dòng. Khâu

khiển biến tần có nhiệm vụ tính chuyển các phần tử của vector điện áp-mà
bộ ĐCD đòi hỏi-thành thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của biến tần.
Nguyễn Quốc Hà

Trang 19


Luận Văn Tốt Nghiệp
Phương pháp tính chuyển là phương pháp ĐCVTKG đã đề cập đến trong
chương sau.

CHƯƠNG II:
ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN DỰA TRÊN
CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ
VÉC TƠ KHÔNG GIAN

Nguyễn Quốc Hà

Trang 20


Luận Văn Tốt Nghiệp

II. ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ
VECTOR KHÔNG GIAN.
Hình II.1 cho ta thấy sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần
dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi xử lý/vi tính điều khiển
sao cho điện áp xoay chiều ba pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như
với góc pha cho trước, được đặt lên ba cực của động cơ đúng theo yêu cầu.
Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều Ud. Đối tượng biến tần được đề cập

trong luận văn này hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cao, phân biệt với
loại hoạt động theo nhịp dành cho các hệ thống với công suất rất lớn. Các
van bán dẫn được dùng ở đây chủ yếu là Transistor (IGBT, MOSFET). Đối
với biến tần dùng thyristor, do tần số đóng ngắt bị hạn chế và thời gian trễ
của quá trình đóng và cắt lớn nên rất khó áp dụng lý thuyết ở chương này.
•
Ud

+
_

•
•
•
•

•
•

•
•

•
•

•
•

u2
v2

w2

•
ĐCXCBP

•

•

•

•

Chùm xung kích do vi xử lý gửi
Hình II.1: Sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp.

Mỗi pha của động cơ có thể nhận một trong hai trạng thái: 1 (nối với
cực “+” của Ud) hoặc 0 (nối với cực “-” của Ud). Do có 3 pha (3 cặp van bán
dẫn) nên sẽ tồn tại 23 = 8 khả năng nối các pha của động cơ với Ud như trong
bảng II.1

Nguyễn Quốc Hà

Trang 21


Luận Văn Tốt Nghiệp

Bảng II.1: các khả năng nối pha động cơ với Ud.
STT

0

1

2

3

4

5

6

7

Pha u

0

1

1

0

0

0

1

1

Pha v

0

0

1

1

1

0

0

1

Pha w

0

0

0

0

1

1

1

1

Cuộn
dây

Ta thử xét kỹ một trong tám khả năng đó, ví dụ khả năng thứ 4 trong
bảng II.1 với sơ đồ nối trong hình II.2a. Ta dễ dàng tính được điện áp rơi trên
từng cuộn dây pha u, v và w. Quay trở lại với bố trí hình học của 3 cuộn dây
pha trên mặt phẳng, ta thấy rằng tổ hợp thứ 4 có tương đương với trường hợp
ta áp đặt lên 3 cuộn pha vector điện áp us với modul

2
U d như trong hình
3

II.2b. Để tìm điện áp thật sự rơi trên từng pha ta chỉ việc tìm hình chiếu của
vector us lên trục của cuộn dây.

+
•
usv

Ud

•

•

us
usu

_
(a)

•

Cuộn dây
pha v Cuộn dây
pha u

usw

2
u su = − U MC
3
U
u sv = u sw = MC
3

Cuoän dây
pha w
(b)

2
u s = U MC
3

Hình II.2: (a) Sơ đồ nối 3 cuộn dây pha theo khả năng thứ 4 của bảng
II.1 n Quốc Hà
Nguyễ
Trang 22
(b) V
kh â
i
ù
ùi kh û ê 4 û b û II 1