Nghiên cứu hệ thống điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc với phương pháp điều chế vecto không gian

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ
KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC VỚI PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTO KHÔNG GIAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên – 2020

Thái Nguyên - 20.....

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ
KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC VỚI PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTO KHÔNG GIAN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 852 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS.Lại Khắc Lãi

Thái Nguyên - 2020

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................. 1
3. Mục tiêu nghiên cứu. ............................................................................ 2
4. Đối tượng nghiên cứu. .......................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu: ..................................................................... 2
6. Tên đề tài ............................................................................................... 2
7. Bố cục luận văn ..................................................................................... 2
CHƯƠNG 1 ........................................................................................ 4
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ... 4
1.1. BIỂU DIỄN HỆ THỐNG ĐIỆN 3 PHA VÀ PHÉP CHUYỂN ĐỔI
HỆ TRỤC TỌA ĐỘ .................................................................................. 4
1.1.1. Biểu diễn hệ thống 3 pha trên hệ tọa độ tự nhiên (a,b,c) ............. 4

1.1.2. Biểu diễn hệ thống 3 pha trên hệ tọa độ quay (α,β)..................... 6
1.1.4. Công thức chuyển đổi Park:....................................................... 14
1.2. BIẾN TẦN: ...................................................................................... 15
1.2.1. Tổng quan về biến tần................................................................ 15
1.2.2. Điều chế độ rộng xung tuyến tính.............................................. 16
1.2.3. Điều chế véc tơ khơng gian ....................................................... 18
1.3. ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN ............................................................... 24
1.3.1. Bộ điều khiển PI ........................................................................ 24
1.3.2. Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) .. 25
1.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái .............................................. 26
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................ 26
CHƯƠNG 2 ...................................................................................... 27
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BỘ 3 PHA VỚI BIẾN TẦN
ĐIỀU CHẾ VÉC TƠ KHÔNG GIAN .................................................... 27
2.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ......................................... 27
2.1.1. Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc ................................ 27
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


iv

2.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: ........................... 34
2.2. MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 3 PHA ....................... 35
2.3. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ ............................................ 41
2.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ................................................ 41
2.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ: ..................................................... 43
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................ 45
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ................................................ 46
3.1. LOGIC MỜ ...................................................................................... 46

3.1.1. Khái niệm ................................................................................... 46
3.1.2. Các phép tốn trên tập mờ ......................................................... 48
3.1.3. Biến ngơn ngữ ............................................................................ 50
3.1.4. Luật hợp thành ........................................................................... 51
3.1.5. Các khối cơ bản của bộ điều khiển mờ ...................................... 51
3.1.6. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ ........................................ 53
3.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO MẠCH VỊNG VỊ TRÍ 54
3.2.1. Giới thiệu hệ thống .................................................................... 54
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ (FLC - Fuzzy Logic Control) ......... 55
3.3.2. Thông số và kịch bản mô phỏng ................................................ 58
3.3.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................... 59
3.3.4. Nhận xét ..................................................................................... 59
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................ 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 63

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


v

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Thu Trang
Sinh ngày 01 tháng 5 năm 1986
Học viên lớp cao học khoá 17 – Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá –
Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái
Nguyên.
Hiện đang công tác tại Khoa Điện, Điện lạnh Trường Cao đẳng Cơ điện
và Xây dựng Bắc Ninh.
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển vị
trí động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc với phương pháp điều chế véc

tơ khơng gian” do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là cơng trình
nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc,
xuất xứ rõ rang. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn tồn trung thực
và chưa từng ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Nếu sai tơi xin
chịu hồn toàn trách nhiệm.
Bắc Ninh, ngày tháng

năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu Trang

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


vi

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng
dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên
cứu hệ thống điều khiển vị trí động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc với
phương pháp điều chế véc tơ khơng gian” đã hồn thành. Tác giả xin bảy
tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ tác giả hồn thành luận văn này.
Phịng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Công
nghệ Tự động hố Trường Đại học Cơng nghệ thơng tin và Truyền thông –
Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng
như trong q trình nghiên cứu đề tài.

Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận
văn.

Bắc Ninh, ngày tháng

năm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu Trang

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Chú thích

1

ĐCXCBP

Động cơ xoay chiều ba pha

2

PWM

Điều chế độ rộng xung

3

SVM

Điều chế véc tơ không gian

4

SPWM

Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang
(sin)

5

AC

Điện áp xoay chiều

6

FLC

Điều khiển logic mờ

7

ĐCMC

Động cơ một chiều

8

ZSS

Zero sequence signal

9

PR

Proportional Resonant

10

CB – PWM

Carrier Based Pulse With

11

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Giá trị điện áp các trạng thái đóng cắt van

19

Bảng 1.2

Trạng thái đóng ngắt các van ứng với các

24

vector chuẩn trong sector 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha. ................ 4
Hình 1. 2: Vector khơng gian điện áp stator trong hệ tọa độ αβ. ................. 5

Hình 1.3: Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ αβ, hệ tọa độ dq ....... 8
Hình 1.4: Mơ hình động cơ trên hệ tọa độ αβ ............................................ 10
Hình 1.5. Mơ phỏng đáp ứng tốc độ động cơ trên hệ tọa độ αβ ............... 10
Hình 1.6: Dịng điện động cơ trên hệ αβ .................................................... 11
Hình 1.7: Mơ hình động cơ trên hệ dq ....................................................... 12
Hình 1.8: Mơ phỏng đáp ứng tốc độ động cơ trên hệ tọa độ dq ................ 13
Hình 1.9: Mơ phỏng dòng điện động cơ trên hệ tọa độ dq ........................ 13
Hình 1.10: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq ............... 14
Hình 1. 11: Sơ đồ khối diều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang ......... 17
Hình 1. 12: Dạng sóng điều chế ................................................................. 18
Hình 2. 1. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ 3 pha.............................. 27
Hình 2. 2. Cấu tạo lõi thép stato ................................................................. 28
Hình 2. 3. a) Dây quấn rơto lồng sóc; b) Lõi thép rôto;
c) Ký hiệu trên sơ đồ .................................................................................. 29
Hình 2. 4. a) Cách nối dây hình sao ; b) Ký hiệu trên sơ đồ ..................... 30
Hình 2. 5. Kết cấu động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ........................ 31
Hình 2. 6. Nguyên lý hoạt động động cơ điện khơng đồng bộ .................. 31
Hình 2. 7. Mặt cắt ngang động cơ .............................................................. 33
Hình 2. 8. Tương quan giữa hệ tọa độ αβ và tọa độ ba pha a, b, c ............ 38
Hình 2. 9. Cuộn dây 3 pha nhìn trên αβ ..................................................... 38
Hình 2. 10. Chuyển sang hệ tọa độ bất kỳ ................................................. 39
Hình 2. 11. Các đại lượng is, ψr của động cơ trên các hệ tọa độ ................ 40
Hình 2. 12. Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện ..................................... 41
Hình 2. 13. Sơ đồ thu gọn mạch vịng dịng điện....................................... 42
Hình 2. 14. Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ............................................. 43
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


ix

Hình 3. 1: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ ...................... 47
Hình 3. 2: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ ........................................ 48
Hình 3. 3: Hợp hai tập mờ có cùng tập tập nền ......................................... 49
Hình 3. 4: Giao hai tập mờ có cùng tập tập nền......................................... 49
Hình 3. 5: Tập bù A của tập mờ . ............................................................... 50
Hình 3. 6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ ............................... 52
Hình 3. 7: Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ ............................................ 53
Hình 3. 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện khơng đồng
bộ ................................................................................................................ 54
Hình 3. 9: Cấu trúc bộ điều khiển mờ theo mơ hình Mamdani ................. 55
Hình 3. 10: Hàm liên thuộc đầu vào 1 (E) ................................................. 56
Hình 3. 11: Hàm liên thuộc đầu vào 2 (TE) ............................................... 56
Hình 3. 12: Hàm liên thuộc đầu ra (U) ...................................................... 56
Hình 3. 13: Quan hệ giữa các biến vào-ra của FLC................................... 57
Hình 3. 14: Sơ đồ mơ phỏng ...................................................................... 58

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây q trình cơng nghiệp hố hiện đại hố ngày
càng phát triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng
trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện được
chế tạo ngày càng hồn thiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha

chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha
có nhiều ưu điểm như việc khởi động dễ dàng, giá thành rẻ, vận hành êm, kích
thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, đặc tính làm việc tốt, bảo quản đơn giản,
chi phí vận hành và bảo trì thấp. Tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơ phi
tuyến mạnh nên trước đấy với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại
động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng
dụng nhiều.
Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học kỹ thuật, ngày nay như
kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động
thì việc ứng dụng động cơ khơng đồng bộ 3 pha được ứng dụng rộng rãi trong
hệt thống truyền động điện điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế
dần động cơ một chiều.
Vì vậy việc nghiên cứu hệ thống điều khiển vị trí động cơ khơng đồng
bộ rotor lồng sóc với phương pháp điều chế véc tơ không gian đang là một vấn
đề cấp thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển vị trí hệ Biến tần
động cơ không đồng bộ, làm tiền đề để ứng dụng hệ thống này trong các dây
chuyền sản xuất trong thực tế.

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


2
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

3. Mục tiêu nghiên cứu.
Đề tài này đặt mục tiêu chính là “Nghiên cứu hệ thống điều khiển vị trí

động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc với phương pháp điều chế véc tơ không
gian”
Các mục tiêu cụ thể:
+ Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha.
+ Hệ thống biến tần động cơ xoay chiều 3 pha.
+ Tổng hợp mạch vịng điều khiển vị trí hệ thống biến tần điều chế véc
tơ không gian.
4. Đối tượng nghiên cứu.
Hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ
5. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng các thuật tốn điều khiển.
Nghiên cứu thực tiễn:
Mơ hình hố, mô phỏng để kiểm nghiệm và đánh giá các thuật toán đề
xuất.
6. Tên đề tài
“Nghiên cứu hệ thống điều khiển vị trí động cơ khơng đồng bộ rotor
lồng sóc với phương pháp điều chế véc tơ không gian”
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết sử dụng trong đề tài
Chương 2: Động cơ không đồng bộ 3 pha với biến tần điều chế véc tơ
không gian
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


3
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

Chương 3: Ứng dụng logic mờ điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ
3 pha
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


4
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
1.1. BIỂU DIỄN HỆ THỐNG ĐIỆN 3 PHA VÀ PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ
TRỤC TỌA ĐỘ [1], [2], [11]
1.1.1. Biểu diễn hệ thống 3 pha trên hệ tọa độ tự nhiên (a,b,c)
Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn
dây stator bố trí trong khơng gian như hình vẽ sau:
usb

Pha B

stator

usa

Pha A

usc

Pha C

rotor

Hình 1. 1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.
(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian)
Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ
nghịch lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình:
usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0

(1.1)

Trong đó:
𝑢𝑠𝑎 (𝑡) = |𝑢𝑠 |cos(𝜔𝑠 𝑡 − 1200 )

usb(t) = |us| cos(st – 1200)
usc(t) = |us| cos(st + 1200)
Với s = 2fs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


5
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

pha, có thể thay đổi (điện áp pha là các số thực).
Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:
2

𝑢𝑠 (𝑡) = [𝑢
⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑢𝑠𝑏 (𝑡) + ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑢𝑠𝑐 (𝑡)]
𝑠𝑎 (𝑡) + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗

(1.2)

3

2

0

0

0

𝑢𝑠 (𝑡) = [𝑢𝑠𝑎 (𝑡)𝑒 𝑗0 + 𝑢𝑠𝑏 (𝑡)𝑒 𝑗120 + 𝑢𝑠𝑐 (𝑡)𝑒 𝑗240 ]
⃗⃗⃗⃗
3
(mặt phẳng ba chiều với 3 vector đơn vị)
2

0

0

𝑢𝑠 (𝑡) = [𝑢𝑠𝑎 (𝑡) + 𝑢𝑠𝑏 (𝑡)𝑒 𝑗120 + 𝑢𝑠𝑐 (𝑡)𝑒 𝑗240 ]
⃗⃗⃗⃗
3

(1.3)

(tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị)
0
2
𝑢𝑠 (𝑡) = [𝑢𝑠𝑎 (𝑡) + 𝑎. 𝑢𝑠𝑏 (𝑡) + 𝑎2 𝑢𝑠𝑐 (𝑡)]
⃗⃗⃗⃗
với 𝑎 = 𝑒 𝑗120
3

0

0

0

[1 + 𝑎 + 𝑎2 ] = [𝑒 𝑗0 + 𝑒 𝑗120 + 𝑒 𝑗240 ] = 0
Ví dụ 1.1: Chứng minh
a, ⃗⃗⃗⃗
𝑢𝑠 (𝑡) = |𝑢𝑠 |𝑒 𝑗𝜔𝑠 𝑡 = |𝑢𝑠 |∠(𝜔𝑠 𝑡) = |𝑢𝑠 |[cos(𝜔𝑠 𝑡) + 𝑗𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑠 𝑡)]
2

√3

b, 𝑢𝑠 = ([𝑢𝑎𝑠 − 0,5𝑢𝑏𝑠 − 0,5𝑢𝑐𝑠 ] + 𝑗 [ 𝑢𝑏𝑠 −
3
2

√3
𝑢 ])
2 𝑐𝑠

β
Im

0

𝑒 𝑗120

ω

B

A

𝑒 𝑗0

0

𝑢𝑠
⃗⃗⃗⃗

2

𝑢
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
3 𝑠𝑐
R
e

α

C
0

𝑒 𝑗240

Hình 1. 2: Vector khơng gian điện áp stator trong hệ tọa độ αβ.
Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


6
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

điện áp stator ⃗⃗⃗⃗
𝑢𝑠 lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác
của động cơ: dòng điện stator, dịng rotor, từ thơng stator và từ thơng rotor đều
có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở
trên.
1.1.2. Biểu diễn hệ thống 3 pha trên hệ tọa độ quay (α,β)
Cùng với các hệ thống truyền động thủy lực, khí nén, truyền động điện

cũng được sử dụng hết sức rộng rãi và đang trở thành một phần khơng thể thiếu
của mọi q trình tự động hóa. Với sự phát triển vượt bậc của vi điều khiển, hệ
thống truyền động điện xoay chiều ba pha đang ngày càng trở nên phổ biến và
thay thế cho các hệ thống truyền động của động cơ một chiều trước đây do có
khẳ năng điều khiển trơn cả về tốc độ và moment động cơ.
Trong một thời gian dài động cơ một chiều ưu thế là cho phép điều khiển
trực tiếp từ thông và moment thông qua hai dịng kích từ và dịng phần ứng.
Cịn trong mơ hình động cơ dị bộ xoay chiều ba pha, không tồn tại các tương
quan minh bạch (dịng – từ thơng, dịng – mômen) như ở động cơ một chiều.
Tuy nhiên, bằng việc mơ tả động cơ dị bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ từ thông
rotor đã cho phép mô tả dẫn tới tương quan giống như với ĐCMC, nhằm đạt
được các đặc tính điều khiển, điều chỉnh tương tự như ĐCMC.
Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mơ hình mơ tả chính xác
đối tượng điều khiển. Mơ hình tốn học thu được cần phải thể hiện được rõ các
đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Để phục vụ mục đích xây dựng bộ
điều khiển ta có thể đưa ra một số giả thiết sau:
- Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian.
- Các tổn hao sắt từ và sự bão hịa từ có thể bỏ qua
- Dịng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe khí.
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là khơng đổi.
Hệ phương trình cơ bản của ĐCXCBP được mơ tả như sau:
+ Phương trình điện áp stator:
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


7
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

𝑢𝑠𝑢 (𝑡) = 𝑅𝑠 𝑖𝑠𝑢 (𝑡) +
𝑢𝑠𝑣 (𝑡) = 𝑅𝑠 𝑖𝑠𝑣 (𝑡) +

{𝑢𝑠𝑤 (𝑡) = 𝑅𝑠 𝑖𝑠𝑤 (𝑡) +

Nguyễn Thị Thu Trang
𝑑𝜓𝑠𝑢 (𝑡)
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑠𝑣 (𝑡)
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑠𝑤 (𝑡)

(1.4)

𝑑𝑡

Trong đó:
Rs : điện trở cuộn dây stator
Ψsu, Ψsv, Ψsw : từ thơng cuộn dây pha u, v, w.
Khi đó vector điện áp stator được biểu diễn dưới dạng sau:
(1.5)

+ Tương tự ta có véctơ điện áp viết cho rotor của động cơ với chú ý là
rotor là ngắn mạch
(1.6)

Trong đó:
Rr : điện trở rotor quy đổi về stator
0 : véctơ 0
+ Phương trình từ thơng viết cho stator và rotor như sau:
𝜓𝑠 = 𝑖𝑠 𝐿𝑠 + 𝑖𝑟 𝐿𝑚
{
(1.7)

𝜓𝑟 = 𝑖𝑠 𝐿𝑚 + 𝑖𝑟 𝐿𝑟
Do các cuộn dây rotor và stator có cấu tạo đối xứng nên tất cả các giá trị
điện cảm là như nhau trên mọi hệ tọa độ quan sát. Để hồn thiện hệ thống
phương trình mơ tả ĐCXCBP ta bổ xung thêm 2 phương trình sau:
+ Phương trình mơmen:
3
3
𝑚𝑀 = 𝑝𝑐 (𝜓𝑠 𝑖𝑠 ) = − 𝑝𝑐 (𝜓𝑟 𝑖𝑟 )
2
2
+ Phương trình chuyển động
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi

(1.8)


8
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

𝑚𝑀 = 𝑚 𝑇 +

Nguyễn Thị Thu Trang
𝑗 𝑑𝜔
𝑝𝑐 𝑑𝑡

(1.9)

Với:
Lm : hỗ cảm giữa rotor và stator
Lσs : điện cảm tiêu tán trên cuộn dây stator

Lσr : điện cảm tiêu tán trên cuộn dây rotor
Ls = Lm + Lσs : điện cảm stator
Lr = Lm + Lσr : điện cảm rotor
Ts = Ls/Rs : hằng số thời gian stator
Tr = Lr/Rr : hằng số thời gian stator
σ = 1 – Lm2/(LsLr) : hệ số tiêu tán tổng
* Các hệ tọa độ quan sát động cơ

Hình 1.3: Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ αβ, hệ tọa độ dq
Việc quan sát mơ hình tốn của động cơ dị bộ xoay chiều ba pha được
thực hiện trên các hệ tọa độ khác nhau bao gồm: hệ tọa độ stator (hệ tọa độ
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


9
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

αβ), hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq). Như đã nói ở trên việc mơ tả tốn
học của động cơ trên hệ tọa độ dq là hết sức quan trọng đối với việc tổng hợp
bộ điều khiển cho động cơ dị bộ điều khiển bởi biến tần.
Ta quy ước một số ký hiệu như sau:
f : đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ dq).
s : đại lượng quan sát trên hệ tọa độ stator (hệ αβ)
r : đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor.
* Mơ hình tốn ĐCXCBP trên hệ stator (hệ αβ)
Hệ toạ độ này có tên gọi là hệ (αβ) được gắn với stato trong đó trục α
chọn trùng với trục dây quấn pha u của stato. Từ các phương trình cơ véc tơ
của động cơ dị bộ, chiếu lên hệ tọa đọ αβ ta được hệ phương trình như sau:

𝑑𝑖𝑠𝛼 = − (
𝑑𝑖𝑠𝛽 = − (

1

𝜎𝑇𝑠
1

𝜎𝑇𝑠

+
+

1−𝜎
𝜎𝑇𝑟
1−𝜎

𝜎𝑇𝑟
′
𝑑𝜓𝑟𝛼
𝑑𝑡

′
𝑑𝜓𝑟𝛽

{

𝑑𝑡

) 𝑖𝑠𝛼 +

) 𝑖𝑠𝛽 +

=

=

1
𝑇𝑟
1
𝑇𝑟

1−𝜎
𝜎𝑇𝑟
1−𝜎

′
𝜔𝜓𝑟𝛼
+
′
𝜔𝜓𝑟𝛼
+

𝜎𝑇𝑟
1

𝑖𝑠𝛼 −
𝑖𝑠𝛽 −

𝑇𝑟
1

𝑇𝑟

1−𝜎
𝜎
1−𝜎
𝜎

′
𝜔𝜓𝑟𝛽
+
′
𝜔𝜓𝑟𝛽
+

1
𝜎𝐿𝑠
1
𝜎𝐿𝑠

′
′
𝜓𝑟𝛼
− 𝜔𝜓𝑟𝛽
′
𝜓𝑟𝛼
−

1
𝑇𝑟

𝑈𝑠𝛼
𝑈𝑠𝛽
(1.10)

′
𝜓𝑟𝛽

Trong đó:
𝜓𝛼′ =

𝜓𝑟𝛼

𝜓𝛽′ =

𝜓𝑟𝛽

𝐿𝑚

(1.11)
𝐿𝑚

Ngồi hệ phương trình (1.10) đã mô tả phần hệ thống điện của động cơ
một chiều. Ta có phương tình moment sau khi biến đổi lại:
𝑚𝑀 =

3 𝐿2𝑚
2 𝐿𝑟

′
′

𝑝𝑐 (𝜓𝑟𝛼
𝑖𝑠𝛽 − 𝜓𝑟𝛽
𝑖𝑠𝛼 )

(1.12)

Hệ phương trình (1.10) và phương trình (1.12) là mơ hình động cơ điện
dị bộ xoay chiều ba pha trên hệ tọa độ stator, từ đó ta có thể dễ dàng xây dựng
được mơ hình như Hình 1.4

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


10
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

Hình 1.4: Mơ hình động cơ trên hệ tọa độ αβ
Đáp ứng tốc độ mơ phỏng trên hệ tạo độ αβ:

Hình 1.5. Mô phỏng đáp ứng tốc độ động cơ trên hệ tọa độ αβ

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


11
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

Hình 1.6: Dòng điện động cơ trên hệ αβ
1.1.3. Biểu diễn hệ thống 3 pha trên hệ tọa độ quay (d,q):
Trên hình 1.8 biểu diễn một hệ trục tọa độ có trục thực trùng với trục
của trục từ thông roto ψr. Ta gọi hệ tọa độ này là hệ tọa độ từ thơng rotor (hệ
dq), hệ tọa độ này có gốc trùng với gốc của hệ αβ nhưng nó quay nhanh hơn
hệ αβ với tốc độ ω = ωs.
Từ các phương trình véc tơ của động ĐCXCBP ta xây dựng được
phương trình tốn mơ tả trên hệ tọa độ dq như sau:

𝑑𝑖𝑠𝑑 = − (

1

𝜎𝑇𝑠

+

𝑑𝑖𝑠𝑞 = −𝜔𝑖𝑠𝑑 − (

1−𝜎
𝜎𝑇𝑟
1
𝜎𝑇𝑠

′
𝑑𝜓𝑟𝑑

𝑑𝑡
′

𝑑𝜓𝑟𝑞

{

𝑑𝑡

=
=

) 𝑖𝑠𝑑 + 𝜔𝑖𝑠𝑞 +

+
1
𝑇𝑟
1
𝑇𝑟

1−𝜎
𝜎𝑇𝑟

) 𝑖𝑠𝑞 −

𝑖𝑠𝑑 −

1
𝑇𝑟

1−𝜎

𝜎𝑇𝑟

1−𝜎
𝜎

′
𝜓𝑟𝑑
+

′
𝜔𝜓𝑟𝑑
+

𝜎
1−𝜎
𝜎𝑇𝑟

′
𝜔𝜓𝑟𝑞

1
𝑇𝑟

1
𝜎𝐿𝑠

′
𝜔𝜓𝑟𝑞
+

′
′

𝜓𝑟𝑑
− (𝜔𝑠 − 𝜔)𝜓𝑟𝑞

′
𝑖𝑠𝑞 − (𝜔𝑠 − 𝜔)𝜓𝑟𝑑
−

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi

1−𝜎

′
𝜓𝑟𝑞

𝑈𝑠𝑑
1

𝜎𝐿𝑠

𝑈𝑠𝑞
(1.13)


12
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

Trong đó:
𝜓𝛼′ =

𝜓𝑟𝛼

𝜓𝛽′ =

𝐿𝑚
𝜓𝑟𝛽

(1.14)

𝐿𝑚

Ngồi ra ta cịn có phương trình mơmen như sau:
𝑚𝑀 =

3 𝐿2𝑚
2 𝐿𝑟

′
𝑝𝑐 𝜓𝑟𝑑
𝑖𝑠𝑞

(1.15)

Từ đây ta dễ dàng xây dựng được cấu trúc mơ hình động cơ dị bộ xoay
chiều ba pha trên hệ tọa độ dq như hình sau:

Hình 1.7: Mơ hình động cơ trên hệ dq
Đáp ứng tốc độ:

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


13
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

Hình 1.8: Mô phỏng đáp ứng tốc độ động cơ trên hệ tọa độ dq

Hình 1.9: Mơ phỏng dịng điện động cơ trên hệ tọa độ dq
Như vậy, việc mô tả động cơ dị bộ roto lồng sóc trên các hệ trục αβ và
dq giúp cho chúng ta có được cái nhìn tổng qt về mơ hình động cơ quan sát
trên các hệ trục khác nhau. Đây cũng là cơ sở cho việc xây dựng các bộ điều
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


14
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

khiển cũng như dòng, bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển vị trí.
Mơ hình động cơ mơ tả trên hệ tọa độ tương, và kết quả cho trên hai
hệ tọa độ là như nhau. Đảm bảo tính chính xác của mơ hình tốn và việc chuyển
đổi giữa các hệ trục quan sát với mơ hình động cơ.
1.1.4. Cơng thức chuyển đổi Park [2]:
Trong hệ qui chiếu này, hệ trục tọa độ khơng bị khóa cố định mà quay
theo một véc tơ tùy ý. Vì vậy hệ qui chiếu đồng bộ còn được gọi là hệ qui chiếu
quay dq (hay dq0). Chuyển đổi này được sử dụng rộng rãi trong điều khiển

động cơ điện, ở đó hệ trục quay theo vị trí roto hoặc từ thơng roto. Trong hệ
biến tần nối lưới nó thường được dùng để khóa các trục với điện áp hoặc dòng
điện (thường là điện áp lưới). Trong hình 1-10, trục d được khóa với véc tơ
Xab, do đó Xd = Xab và Xq = 0. Hệ trục sẽ quay với tốc độ góc và có góc tức
thời bằng (gọi tắt là hệ tham chiếu cố định)

Hình 1.10: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq
Việc chuyển đổi được thực hiện bởi hàm chuyển đổi Park (1.16)
Xd
cos(θ) sin(θ) 0 Xα
2
[Xq ] = 3 [−sin(θ) cos(θ) 0] [Xβ ]
𝑋0
0
0
1 Xc

(1.16)

Nếu hệ trục dq được khóa với điện áp lưới, các trục sẽ quay với tần số
Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


15
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

góc 2πfg và các giá trị dq sẽ trở thành giá trị một chiều cố định. Nếu vẫn coi hệ
thống 3 pha là đối xứng, khơng có thành phần thứ tự khơng thì cơng suất tác

dụng và cơng suất phản kháng được tính theo các cơng thức (1.17) và (1.16).
3

𝑝𝑑𝑞 = (𝑢𝑑 𝑖𝑑 + 𝑢𝑞 𝑖𝑞 )
2

3

𝑝𝑑𝑞 = (𝑢𝑞 𝑖𝑑 − 𝑢𝑑 𝑖𝑞 )
2

(1.17)
(1.18)

Trong các phương trình trên cả điện áp và dòng điện đều được chuyển
đổi sang hệ trục dq bằng cách sử dụng cùng một hệ qui chiếu. Khi khung tham
chiếu định hướng vào véc tơ điện áp thì thành phần dòng điện trên trục d sẽ đại
diện cho dòng điện trong pha với điện áp và do đó nó đại diện cho công suất
tác dụng trong mạch. Thành phần dịng điện trên trục q đại diện cho cơng suất
phản kháng trong mạch.
1.2. BIẾN TẦN:
1.2.1. Tổng quan về biến tần [5], [6], [7]
Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở
đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dịng điện có một tần số khác ở
đầu ra.
Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoay
chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ
thay đổi thành tần số biến thiên. Ngồi việc thay đổi tần số cịn có sự thay đổi
tổng số pha. Từ nguồn lưới một pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta có thể
mắc vào tải động cơ bap ha. Bộ biến tần còn được sử dụng rộng rãi trong kỹ

thuật nhiệt điện.
Phân loại theo tổng số pha, ta có bộ biến tần: một pha, ba pha, m pha
Phân loại theo cấu trúc mạch điện, ta có các bộ biến tần: gián tiếp, trực
tiếp.

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi


16
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Thị Thu Trang

1.2.2. Điều chế độ rộng xung tuyến tính [1], [15]
Phương pháp điều chế là một phần quan trọng của cấu trúc điều khiển.
Nó cung cấp các tính năng: - Phạm vi hoạt động tuyến tính rộng - Giảm nhỏ
sóng hài bậc cao trong điện áp và dòng điện - Hoạt động quá điều chế - Giảm
điện áp ở chế độ chung - Số lượng chuyển đổi tối thiểu để giảm tổn thất chuyển
mạch trong các thành phần nguồn điện Sự phát triển của các phương pháp điều
chế có thể cải thiện các tham số chuyển đổi… Tất cả các phương pháp PWM
đều có các tính năng cụ thể, tuy nhiên khơng phương pháp nào thỏa mãn các
yêu cầu trong toàn dải làm việc của hệ thống.
Tất cả các phương pháp PWM đều có các tính năng cụ thể, tuy nhiên
khơng phương pháp nào thỏa mãn các yêu cầu trong toàn bộ dải làm việc của
hệ thống. VD. Phương pháp điều chế véc tơ khơng gian thích nghi cung cấp
các tính năng: - Phạm vi điều khiển đầy đủ bao gồm chế độ quá điều chế và chế
độ 6 bước đạt được bằng cách sử dụng 3 thuật toán điều chế khác nhau - Giảm
tổn thất chuyển mạch nhờ theo dõi tức thời giá trị đỉnh dịng điện pha.
PWM dựa trên sóng mang:
Phương pháp điều chế độ rộng xung được sử dụng rộng rãi nhất,

phương pháp này còn được gọi là SPWM Trong phương pháp này 3 tín hiệu
tham chiếu hình sin được so sánh với song mang tam giác chung cho cả 3 pha

Hướng dẫn khoa học: Lại Khắc Lãi