Tài liệu Mô hình hóa máy điện P6 pptx

CHƯƠNG 6: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
§1. SỰ LÀM VIỆC CỦA Đ.C.K.Đ.B KHI TỪ THÔNG
TRONG KHE HỞ KHÔNG KHÍ KHÔNG ĐỔI
Từ thông hỗ cảm hay từ thông trong khe hở không khí của máy điện không
đồng bộ được xác định bằng biểu thức:
m
m m as ar
e
E
L I I
′
Ψ = + =
ω
& &
(1)
Như vậy giữ cho từ thông hỗ cảm hay từ thông trong khe hở không khí không đổi
tương đương với việc giữ cho
const
E
e
m
=
ω
. Như vậy:
b
mdm
em
E
E
ω
ω=

(2)
Trong đó E
mdm
là giá trị của E
m
ở tốc độ định mức hay tốc độ cơ sở. Giá trị liên tục của
E
m
phải cao hơn E
mdm
khi lõi thép không bị bão hoà. Sơ đồ thay thế của m.đ.k.đ.b như
sau:
Khi máy chỉ có một nguồn cung cấp, nghĩa là điện áp roto bằng không thì theo sơ đồ
thay thể của m.đ.k.đ.b ta có dòng điện roto là:
m
ar
e r e r
e r b
E
I
r x
j
σ
′
= −
′ ′
ω ω
+
ω − ω ω
&

&
(3)
Thay (2) vào phương trình trên và lấy bình phương dòng điện ta có:
( )
2
r
2
re
re
2
mdm
2
b
re
2
re
re
2
m
2
ar
x
r
E
xr
E
I
σ
σ
′

+








ω−ω
′
ω
=








ω
′
ω
+









ω−ω
′
ω
=
′
(4)
Mô men sẽ là:
( )
2
r
2
re
re
r
2
mdm
re
em
x
r
rE
)(2
p3
M
σ
′
+









ω−ω
′
ω
′
ω−ω
=
(5)
99
Mạch tương đương của m.đ.k.đ.b
r
s
s
b
e
xj
σ
ω
ω
as
I
&
ar

I
′
&
r
r
′
as
U
&
ar
U
s
′
&
m
E
&
r
b
e
xj
σ
′
ω
ω
m
b
e
xj
ω

ω
r
re
e
rj
′
ω−ω
ω
Biểu thức trên cho thấy là mô men sẽ có cùng giá trị ở tốc độ (ω
e
- ω
r
) đã cho đối với
mọi ω
e
. Điều này, về mặt đồ thị tương đương với việc tịnh tiến đường cong ω(M
em
) ở
điều kiện định mức theo trục ω khi tần số thay đổi. Như vậy dạng của đường cong
mô men khi từ thông trong khe hở không khí không đổi không thay đổi khi tần số
thay đổi. Khi E
m
= const, công suất cực đại đối với một tần số đã cho sẽ được truyền
qua khe hở không khí khi:
r
b
e
r
maxre
e

xr
σ
′
ω
ω
=
′
ω−ω
ω


(6)
Nói cách khác, tốc độ tại mô men max là:
b
r
maxre
x
r
ω
′
′
±=ω−ω
σ
(7)
Dấu “+” tương ứng với chế độ động cơ và dấu “–“ tương ứng với chế độ máy phát.
Mô men cực đại là:
2
2
mdm
b

max
em
r
x
E
4
p3
M
σ
′
ω
=
(8)
Từ (5) ta thấy có thể điều chỉnh mô men khi điều chỉnh từ thông stato, tốc độ trượt
hay cả hai bằng cách điều chỉnh điện áp đưa vào stato hay tần số
§2. ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ TRƯỜNG
1. Các vấn đề chung: Trong m.đ.m.c trục của từ trường phần ứng và từ trường cực từ
thường vuông góc với nhau. Do đó s.t.đ tạo bởi dòng điện trong các dây quấn này
cũng vuông góc với nhau. Nếu ta bỏ qua sự bão hoà của lõi thép thì các từ trường
vuông góc không ảnh hưởng đến nhau. Mô men của máy là:
M
em
= k
a
Φ(I
kt
)I
a
(9)
Do hằng số thời gian của mạch phần ứng nhỏ hơn mạch kích thích nên việc điều

chỉnh mô men bằng cách thay đổi dòng điện phần ứng nhanh hơn là thay đổi dòng
điện kích thích.
Nói chung điều chỉnh mô men của máy điện không đồng bộ 3 pha không dễ
dàng như m.đ.m.c vì sự tác động tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường roto. Từ
trường roto này không tạo một góc 90° so với từ trường stato mà thay đổi tuỳ theo
điều kiện làm việc. Từ trường của dây quấn roto của m.đ.k.đ.b có thể so sánh với từ
trường của dây quấn kích thích của máy điện một chiều, ngoại trừ là nó không điều
chỉnh độc lập được. Với kích thích hình sin, từ trường của roto quay ở tốc độ đồng bộ.
Nếu ta chọn hệ toạ độ qd0 sao cho trục gắn với từ trường roto thì thành phần q của từ
trường roto sẽ bằng 0, nghĩa là:
e e e
qr m qs r qr
L i L i 0
′ ′ ′
λ = + =
(10)
e
qs
r
m
e
qr
i
L
L
i
′
−=
′
(11)

Do
0
e
qr
=Ψ
′
nên mô men là:
e e
em dr qs
p
3
M i
2 2
′
= − λ
(12)
100
Khi thay
e
qr
i
′
trong (11) vào (12) ta có:
e e
m
em dr qs
r
p
3 L
M i

2 2 L
′
= λ
′
(13)
Như vậy nếu từ thông móc vòng của roto
e
dr
Ψ
′
không bị nhiễu loạn thì mô men có thể
điều chỉnh một cách độc lập bằng cách điều chỉnh thành phần theo trục q của dòng
điện stato
e
qs
i
. Khi
e
qr
′
λ
được giữ không đổi bằng 0 thì
e
qr
p
′
λ
cũng bằng 0. Khi đó
phương trình điện áp theo trục q có dạng:
e e e e

qr r qr qr e r dr
u r i p ( ) 0
′ ′ ′ ′ ′
= + λ + ω − ω λ =
(14)
Nói cách khác, tốc độ trượt phải thoả mãn:
e
r qr
e r
e
dr
r i
( )
′ ′
ω − ω = −
′
λ
(15)
Tương tự, nếu giữ
e
dr
′
λ
không thay đổi thì
e
dr
p 0
′
λ =
. Phương trình cân bằng điện áp

theo trục d có dạng:
e e e e
dr r dr dr e r qr
u r i p ( ) 0
′ ′ ′ ′ ′
= + λ + ω − ω λ =
(16)
Như vậy khi
0i
e
dr
=
′
thì
e e
dr m ds
L i
′
λ =
. Thay vào phương trình (15) ta có:
e
ds
r
e
qsr
re
iL
ir
)(
′

′
=ω−ω
(17)
Trong thực tế, độ lớn của từ thông roto có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi
e
ds
i
và sự
định hướng của trục d của từ trường roto có thể giữ bằng giữ tốc độ trượt hay
e
qs
i
theo
phương trình (17). Với sự định hướng từ trường roto thích hợp, hướng của
e
dr
′
λ
sẽ
được giữ theo trục d và được xác định bằng hằng số thời gian của roto. Điều này
có thể thấy từ (16) với
e
dr
i
′
được thay bằng
e e
dr m ds
r
( L i )

L
′
λ −
′
, nghĩa là:
e e
r m
dr ds
r r
r L
i
r pL
′
′
λ =
′ ′
+
(18)
Điều khiển tựa theo từ trường dùng cho m.đ.k.đ.b được xem như là điều khiển trực
tiếp khi góc ρ trong hình vẽ trên được xác định trực tiếp như trong trường hợp đo
101
Trục pha a stato
Trục pha a roto

Trục d từ trường roto
Trục q từ trường roto
Từ trường stato
ω
e
ω

ρ
ω
r
δ
ρ
θ
2
θ
r
π/2-ρ
i
s
e
ds
i
e
qs
i
s
qr
′
λ
s
dr
′
λ
s e
r dr
′ ′
λ = λ

trực tiếp từ thông trong khe hở không khí hay kiểu gián tiếp khi góc roto được xác
định từ việc đo gián tiếp như tốc độ trượt.
2. Điều khiển trực tiếp dòng điện tựa theo từ trường: Phương pháp điều khiển trực
tiếp dựa vào việc nắm bắt từ thông của khe hở không khí khi dùng các cảm biến. Từ
thông được đo là từ thông tổng hay từ thông hỗ cảm. Nó không giống như từ thông
móc vòng với dây quấn roto mà góc ρ của nó là góc cần để định hướng từ trường.
Dòng điện điện các pha abc trước hết sẽ được biến đổi thành dòng điện dây quấn cố
định:
)ii(
3
1
i
i
3
1
i
3
1
i
3
2
i
bs
cs
s
ds
cs
bs
as
s

qs
−=
−−=
(19)
Cộng và trừ vế phải của phương trình với số hạng
s
qsr
iL
σ
′
ta có từ thông móc vòng trên
trục q trong hệ toạ độ cố định:
s s s
qs m r r qs m r qr
(L L L )i (L L )i
σ σ σ
′ ′ ′ ′ ′
λ = + − + +
(20)
Do
s s s
mq m qs qr
L (i i )
′
λ = +
, ta có thể xác định
s
qr
Ψ
′

từ các đại lượng đo:
s s s
r
qr mq r qs
m
L
L i
L
σ
′
′ ′
λ = λ −
(21)
Tương tự:
s s s
r
dr md r ds
m
L
L i
L
σ
′
′ ′
λ = λ −
(22)
Sử dụng các từ thông tính từ (21) và (22) ta xác định được sinρ và cosρ theo công
thức:
s
dr

s
r
s
qr
s
r
sin cos
2
cos sin
2
′
π λ
 
− ρ = ρ =
 
′
λ
 
′
λ
π
 
− ρ = ρ =
 
′
λ
 
(23)
Trong đó:
s s 2 s 2

r dr qr
( ) ( )
′ ′ ′
λ = λ + λ
(24)
Việc tính toán được thực hiện bên trong bộ điều khiển. Giá trị
e
r
′
λ
tính được sẽ
được đưa lại đầu vào của bộ điều khiển từ thông để điều chỉnh từ thông trong khe
hở không khí. Đầu ra của bộ điều khiển mô men và từ thông là các giá trị
∗
e
qs
i
và
∗
e
ds
i

trong hệ toạ độ roto tựa theo từ trường. Bên trong khối biến đổi qd thành abc là các
biến đổi từ qde thành qds và từ qds thành abc đối xứng:
ρ+ρ−=
ρ+ρ=
∗∗∗
∗∗∗
cosisinii

sinicosii
e
ds
e
qs
s
ds
e
ds
e
qs
s
qs
(25)
102
s
as qs
s s
bs qs ds
s s
cs qs ds
i i
i 0.5i 3 2i
i 0.5i 3 2i
∗ ∗
∗ ∗ ∗
∗ ∗ ∗
=
= − −
= − +

(26)
3. Điều khiển trực tiếp điện áp tựa theo từ trường: Dòng điện stato qd tựa theo từ
trường được xác định bằng cách biến đổi các dòng điện abc đo được thành các dòng
điện trong hệ toạ độ qd cố định bằng cách dùng các biểu thức (19) và giá trị ρ xác
định theo (23):
ρ+ρ=
ρ−ρ=
cosisinii
sinicosii
s
ds
s
qs
e
ds
s
ds
s
qs
e
qs
(27)
Từ thông móc vòng của stato được biểu diễn theo dòng điện stato và từ thông móc
vòng của roto:
e e e
m
qs s qs qr
r
e e e
m

ds s ds dr
r
L
L i
L
L
L i
L
′ ′
λ = + λ
′
′ ′
λ = + λ
′
(28)
Ta có:
e e
qs qr
e e e
m
s qs s qs qs e s ds
r
e e
e e e
ds m dr
s ds s ds ds e s qs
r
di d
L
L u r i E L i

dt L dt
di L d
L u r i E L i
dt L dt
′
λ
′ ′ ′
+ = − − − ω
′
′
λ
′ ′ ′
+ = − − + ω
′
(29)
Đặt số hạng đạo hàm của từ thông móc vòng của roto bằng 0 và chuyển vế ta có:
e
qsse
e
dsds
e
ds
s
e
ds
s
e
ds
se
e

qsqs
e
qss
e
qs
s
iLuEir
dt
di
L
iLuEir
dt
di
L
′
ω+=
′
++
′
′
ω−=
′
++
′
(30)
Các giá trị đối với điện áp abc có thể tính như sau:
ρ+ρ−=
ρ+ρ=
∗
∗

cosusinuu
sinucosuu
e
ds
e
qs
s
ds
e
ds
e
qs
s
qs
(31)
∗∗∗
∗∗∗
∗∗
+−=
−−=
=
s
ds
s
qscs
s
ds
s
qs
bs

s
qsas
u
2
3
u
2
1
u
u
2
3
u
2
1
u
uu
(32)
§3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ TRƯỜNG GIÁN TIẾP
Khi máy điện không đồng bộ làm việc với tốc độ thấp và điều khiển vị trí, các
sensor đo từ thông trong các bộ tích phân là không khả thi. Vì vậy phương pháp
chung là định hướng từ trường gián tiếp không dựa vào việc đo từ thông trong khe
103
hở không khí mà dựa vào các phương trình (15), (17) và (18). Mô men có thể điều
chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng điện
e
qs
i
và tốc độ trượt (ω
e

- ω
r
). Từ thông roto có thể
điều chỉnh bằng
e
qs
i
. Khi cho một số giá trị mong muốn của từ thông roto
r
∗
′
λ
, giá trị
∗
e
ds
i
mong muốn có thể xác định theo:
e
r m
dr ds
r r
r L
i
r pL
∗ ∗
′
′
λ =
′ ′

+
(33)
Với mô men mong muốn
∗
em
M
tại các giá trị từ thông roto đã cho, giá trị mong muốn
của
∗
e
qs
i
theo (13) là:
e e
m
em dr qs
r
p
3 L
M i
2 2 L
∗ ∗ ∗
′
= λ
′
(34)
Ta thấy rằng khi định hướng đúng,
0i
e
dr

=
′
và
e e
dr m ds
L i
′
λ =
. Như vậy tốc độ trượt trong
phương trình (17) có thể viết thành:
∗
∗
∗
′
′
=ω−ω=ω
e
ds
r
e
qsr
re2
iL
ir
)(
(35)
Điều kiện trên, nếu thoả mãn, sẽ bảo đảm tách riêng phương trình điện áp roto. Góc
định hướng trường ρ, là tổng của góc roto θ
r
từ sensor vị trí và góc θ

2
từ tích phân tốc
độ trượt.
104