Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Mục lục: Trang
Lời nói đầu 3
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 7
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 7
1-1-1 Điều khiển điện áp stator. 8
1-1-2 Điều khiển điện trở rotor 8
1-1-3 Điều chỉnh công suất trợt 8
1-1-4 Điều khiển tần số nguồn cấp stator. 9
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 10
Chơng 2: Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ 13
2-1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha: 13
2-2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ 16
2-3. Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ 18
2-3-1. Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 20
2-3-2. Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: 24
2-4. Cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 27
2-5. Các phơng pháp điều khiển vectơ 30
2-5-1 Điều khiển vectơ gián tiếp 30
2-5-2. Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto 31
2-6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh 37
2-6-1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: 37
2-6-2 Tuyến tính hoá mô hình động cơ 39
2-6-3 Tổng hợp Risq và R 40
2-6-4 Tổng hợp Risd: 43
2-7 Bộ quan sát từ thông 45
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ 52
3-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ 52
3-2 Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 55
Chơng 4: Mô phỏng đánh giá chất lợng 58

2-6-1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: 37
2-6-2 Tuyến tính hoá mô hình động cơ 39
2-6-3 Tổng hợp Risq và R 40
2-6-4 Tổng hợp Risd: 43
2-7 Bộ quan sát từ thông 45
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ 52
3-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ 52
3-2 Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 55
Chơng 4: Mô phỏng đánh giá chất lợng 58
5-1. Tính toán các thông số động cơ 58
5-2. Các bớc tiến hành mô phỏng 59
5-2-1. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isd: 59
5-2-2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isq: 60
5-2-3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ: 62
5-2-4. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq: 64
5-2-5. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ : 67
Kết luận 79
Tài liệu tham khảo 82
Lời nói đầu 3
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 7
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 7
1-1-1 Điều khiển điện áp stator. 8
1-1-2 Điều khiển điện trở rotor 8
1-1-3 Điều chỉnh công suất trợt 8
1-1-4 Điều khiển tần số nguồn cấp stator. 9
2
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 10
Chơng 2: Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ 13

Động cơ không đồng bộ ngày nay đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay
cho các động cơ khác vì nó có nhiều u điểm nh khởi động đơn giản, vận hành tin
cậy, rẻ tiền và kích thớc gọn nhẹ. Nhợc điểm của nó là đặc tính cơ phi tuyến mạnh
nên trớc đây, với các phơng pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải
nhờng chỗ cho động cơ điện một chiều. Nhng với việc phát triển của các lý thuyết
điều khiển, truyền động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nh kỹ thuật vi
xử lý, điện tử công suất nên đã hạn chế đợc nhợc điểm trên, đa động cơ không
đồng bộ trở thành phổ biến.
3
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Trớc đây thờng điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp. Đây là một
phơng pháp đơn giản nhng chất lợng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao.
Để điều khiển đợc chính xác và hiệu quả phải nói đến phơng pháp thay đổi tần số
điện áp nguồn cung cấp. Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ
nên động cơ làm việc với độ trợt nhỏ và tổn hao công suất trợt trong mạch rôto
nhỏ. Tuy nhiên phơng pháp này còn phức tạp và đắt tiền. hiết bị dùng để biến đổi
tần số là các bộ nghịch lu, có thể là nghịch lu trực tiếp hoặc gián tiếp. Ta có thể sử
dụng bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lu, nghịch lu lẫn điều khiển. Luật
điều khiển trong mỗi biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất.
Hiện nay để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trờng, ít
khi còn phải thiết kế theo phơng pháp kinh điển nữa. Các nhà sản xuất lựa chọn
biến tần nhiều hơn bảng điều khiển sao - tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết
bị điều khiển khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng đợc nhu
cầu tự động hoá và từng bớc hiện đại hoá xí nghiệp của họ. Biến tần đơn giản th-
ờng điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhng cho
các hệ truyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ.
Mục đích của đồ án
Tuy hiện nay các loại biến tần đã đợc bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trờng
của các hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phơng pháp điều khiển khác
nhau nh : theo luật U/f không dổi, điều khiển từ thông không đổi, điều khiển vectơ

ỡng và chi phí vận hành hệ thống truyền động điện, giải quyết những vấn đeef
không thể khắc phục của động cơ một chiầu nh mức độ h hỏng cũng nh chi phí bảo
dỡng vận hành cao.
Đề tài nhằm nghiên cứu giải quyết những vấn đề trên. Nội dung bản đồ án bao
gồm bốn chơng chính. Nội dung mỗi chơng đợc trình bày nh sau:
Chơng 1: Nêu sơ lợc những phơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
trong đó nhấn mạnh đến phơng pháp điều khiển vectơ, những u nhợc điểm và tính
thực tiễn của nó.
Chơng 2: Dựa trên những kiến thức về vectơ không gian, xây dựng hệ phơng
trình mô tả động học động cơ không đồng bộ.
Tổng quan các phơng pháp điều khiển vectơ: trực tiếp, gián tiếp và những sơ đồ
điều khiển của từng phơng pháp.
Giải quyết vấn đề tính từ thông rôto phục vụ cho việc điều khiển vectơ trực tiếp.
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ. Xây dựng bộ tính toán tốc độ thay cho máy phát tốc
độ và kiểm nghiệm sự làm việc ổn định của khâu này.
Chơng 4: Trình bày một số kết quả mô phỏng chứng minh tính đúng đắn của
các công việc đã làm: việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ, các bộ
tính toán từ thông, bộ tính toán tốc độ. Mô phỏng việc phản hồi tốc độ bằng khâu
tính toán, không dùng cảm biến tốc độ.
5
§å ¸n tèt nghiÖp §Æng Thiªn Quúnh T§H3K42
6
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ
không đồng bộ.
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Từ phơng trình mômen của động cơ :



R
s
R
U3
M

ta có thể dựa
vào đó để điều khiển mômen bằng cách thay đổi các thông số nh điện áp cung cấp,
điện trở phụ, tốc độ trợt và tần số nguồn.
Tới nay đã có các phơng pháp điều khiển chủ yếu sau:
Tổn thất Kinh tế
Stato
Rôto
7
~
=
~
=
Điều chỉnh
điện áp stator
Điều chỉnh
công suất trợt
Điều chỉnh
bằng phơng
pháp xung điện
trở rôto
Điều chỉnh
tần số nguồn cấp
stato
P

dụng đợc công suất trợt ngời ta sử dụng các sơ đồ công suất trợt (sơ đồ nối tầng/
nối cấp).
P
1
=P
cơ
+P
s
=P
1
(1-s) +sP
1
=const.
Nếu lấy P
s
trả lại lới thì tiết kiệm đợc năng lợng.
Khi điều chỉnh với <
1
: đợc gọi là điều chỉnh nối cấp dới đồng bộ (lấy năng
lợng P
s
ra phát lên lới).
Khi điều chỉnh với >
1
(s<0): điều chỉnh công suất trợt trên đồng bộ (nhận
năng lợng P
s
vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc truyền động
động cơ hai nguồn cung cấp.
Nếu tái sử dụng năng lợng P

Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì
cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với biến tần nguồn áp thờng có yêu cầu giữ cho
khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Luật
điều chỉnh là u
s
= f
s
(1+x/2)
với x phụ thuộc tải. Khi x=0 (Mc=const, ví dụ cơ cấu nâng
hàng) thì luật điều chỉnh là u
s
/f
s
=const.
+ Điều chỉnh từ thông:
Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa.
Luật điều chỉnh tần số - điện áp là luật giữ gần đúng từ thông không đổi trên toàn
dải điều chỉnh . Tuy nhiên từ thông động cơ , trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc rất
nhiều vào độ trợt s, tức là phụ thuộc mômen tải trên trục động cơ . Vì thế trong các
hệ điều chỉnh yêu cầu chất lợng cao cần tìm cách bù từ thông.
Do
2
1
)(1
r
m
r
s
T
L

- Điều khiển trực tiếp mômen
Ra đời năm 1997, thực hiện đợc đáp ứng nhanh. Vì
r
có quán tính cơ nên
không biến đổi nhanh đợc, do đó ta chú trọng thay đổi
s
không thay đổi
r
. Phơng
pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc. Nó khắc phục
nhợc điểm của điều khiển định hớng trờng vectơ rôto
r
cấu trúc phức tạp, đắt tiền,
độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo
dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ
chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hởng của bão hoà mạch từ tới R
s
lớn.
Kết luận:
Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số, phơng pháp điều khiển theo
từ thông rôto có thể tạo ra cho động cơ các đặc tính tĩnh và động tốt. Các hệ thống
điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện/ tần số trợt đã đợc ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp.
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
10
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Một số hệ thống yêu cầu chất lợng điều chỉnh động cao thì các phơng pháp điều
khiển kinh điển khó đáp ứng đợc. Hệ thống điều khiển định hớng theo từ trờng còn
gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và
động.Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tởng điều khiển vectơ động cơ không

m
I
ds
I
qs
(khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ
thông rôto)
11
Mạch
điều khiển và
nghịch lu
I

I

U

ĐM
CKT
I
ds
*
I
qs
*
ĐK
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng
điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto
Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tơng tự điều khiển động cơ điện


s2
I
qs
I
qs1
i
s1

r
I
ds
q
d

s1
i
s2

s2
I
qs2

a

b

c

Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

+L
ab
i
b
+L
ac
i
c
+L
aA
i
A
+L
aB
i
B
+L
aC
i
C
Vì ba pha đối xứng nên :
R
a
=R
b
=R
c
= R
s
, R

bc
=-M
s
, L
AC
=L
BC
=L
AB
=-M
r

L
aA
=L
bB
=L
cC
=L
Aa
= L
Bb
=L
Cc
=Mcos
L
aB
=L
bC
=L

a

b

cA

B


C


AB

C

dt
d
LrR(L
dt
d
(L
dt
d

=
[R
s
]

= [R
r
]

=
[L
s
]

= [L
r
]

=
[L
m
(θ)]=M.
= x
= x
14
i
a

i
b

0 0
0 R
S
0
0 0 R
S

L
S1
-M
S
-M
S

-M
S
L
S1
-M
S

-M
S
-M
S
L
S1

R
r

cos(θ+2π/3) cos(θ-2π/3) cosθ
ψ
s
ψ
r
[L
S
] [L
m
(θ)]
[L
m
(θ)]
t
[L
r
]
i
s
i
r
u
s
u
r
i
s
i
r
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

phẳng phức trùng với trục pha a.
Hình2-1: Tơng quan giữa hệ toạ độ

và toạ độ ba pha a,b,c
Ba véc tơ dòng điện stator i
a
, i
b
, i
c
tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay
tròn i
s
. Véc tơ không gian của dòng điện stator:

)(
3
2
i
2
s cba
iaaii
++=
Muốn biết i
s
cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ:
i
s

,i

+j()
i
s
a.i
b
a
2
.i
c
I
a
i
s
i
s
u

u

i
s
a.i
b
a
2
.i
c
I
a
x

=
1
,
0
tự chọn bất kỳ (để đơn
giản một phơng trình cho x trùng
r
để

r
y
=0): phép biến đổi d,q.
+ Nếu
k
=
1
- =
r
: hệ toạ độ cố
định , đối với rôto (ít dùng).
Hìh 2-3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất
kỳ
Các hệ toạ độ đợc mô tả nh sau:
17
pha C


S
d
q

iii
ii
+=
=


d,q
i
sd
= i
s

cos + i
s

sin
i
sq
= i
s

cos - i
s

sin
a,b,c:
).3(
2
1
).3(

sin + i
sq
cos
2-3. Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ
Để dễ theo dõi ta ký hiệu :
Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,)
18
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
f: trong toạ độ trờng (field) từ thông rôto (toạ độ dq)
r: toạ độ gắn với trục rôto.
Chỉ số dới s: đại lợng mạch stato
r: đại lợng mạch rôto
Phơng trình mômen :
).(.
2
3
).(.
2
3
rrsrM
ipipm ==

(2-1)
Phơng trình chuyển động :

dt
d
p
J
mm


+=
(2-3)
Tơng tự nh vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:
u
s
(t)= 2/3.[u
sa
(t) + u
sb
(t).e
j120
+ u
sc
(t).e
j240
]
Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận đợc phơng trình vectơ:
dt
diRu
s
s
s
ss
s
s

+=
.
(2-4)

s
+i
r
L
m
(2-5)

r
= i
s
L
m
+i
r
L
r
Trong đó L
s
: điện cảm stato L
s
= L

s
+ L
m
(L
ós
: điện cảm tiêu tán phía stato)
19
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

m
s
rs
s
s
s
s
s
r
s
r
s
rr
s
s
s
ss
s
s
LiLi
LiLi
j
dt
diR
dt
diRu
________
________
____
____

s
s
s
s
m
s
s
s
r
r
s
r
Li
L
L
Li
Li
L
i


+=
=


(2-7)
Đặt =1-L
m
2
/(L

r
s
r
r
m
s
s
s
r
r
m
s
s
s
s
s
s
s
s

++=

++=
)
1
(0
.


(2-8)







r
r
rs
r
m
r
rr
r
s
r
mr
s
s
r
mr
r
m
s
rs
s
s
s
r
m

)
11
(
111
)
11
(
+=
=
+

+



+=
+

+

+

+=
(2-9)
Thay i
r
s
từ phơng trình thứ 2 của (2-5) vào phơng trình mômen (2-1):
)i(
L

Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tơng ứng ta đợc :
)ii(
L
L
.p.m
srsr
r
m
M

=
2
3
(2-11)
Từ hệ phơng trình (2-9) và phơng trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ
không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T

theo công thức:
rs
TTT





+=
111




r
m
r
mr
s
TiLpT
TiLpT
u
LTLL
i
T
p
u
LLLT
i
T
p
+=+
=+
+

+

=+
+

+

=+
)1(

m
T
r
T

1+pT

1
L
s
1-
L
m
T
r
3p
c
L
m
2L
r
u
s
u
s
i
s
i
s
-

s

Hệ phơng trình (2-9) khi viết lại dới dạng ma trận:

s
s
sss
s
uBxA
dt
dx
+=
(2-13)
Trong đó:
x
s
: ma trận trạng thái, x
sT
=[i
s

, i
s

,
r

,
r




ss
ss
AA
AA
2221
1211 , với các phần tử nh sau:
22
§å ¸n tèt nghiÖp §Æng Thiªn Quúnh T§H3K42
.J
T
1

T
1

-
T
1
A
T
L
T
L
0
0

A
T
1

0
0
T
1

T
1
0
0
T
1
A
r
r
r
s
22
r
m
r
m
r
m
s
21
rm

=
=












=
−
−
=




















−
−
=
I
I
JI
I
.
.
) (

σ

σ
σ
σ
ω
σ
σ
ω
σ
σ
σ












=








=
0
0
1
1
1
21
s
s
s

s
x
s
(t)U
s
s
(t)
dx
s
(t)
dt
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Khi mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận:
2-3-2. Ph ơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:
Tơng tự nh trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phơng trình từ thông vẫn
không đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau:
- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ
s
so với stato.
- Hệ toạ độ chuyển động vợt trớc so với rôto một tốc độ góc
r
=
s
-.
Từ đó ta thu đợc hệ phơng trình :

r
f
rm
f

j
dt
d
iRu
________
________
____
____
__
____
___
____
0
+=
+=
++=
++=






(2-14)
Tìm cách loại bỏ i
f
r
và
f
s


r
s
(t)
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

)(
)(
1
____________
________
m
f
s
f
r
r
m
s
f
s
f
s
m
f
s
f
r
r
f

rd
m
sq
rs
sds
sq
sd
s
rq
m
rd
rm
sqssd
rs
sd
T
i
T
L
dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LTLL
i






1
1
111
)
11
(
111
)
11
(
=
+=
+

+



+=
+

+

++


u
LL
iip
T
u
LLTL
iip
T


















=
=+
+


)(
2
3
f
s
f
r
r
m
cM
i
L
L
pm
=

Thay đại lợng vectơ bằng các phần tử của nó : i
s
f
= i
sd
+ji
s
q
và
s
f
=
sd
+j