GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN - CƠ
Giảng viên hướng dẫn : ThS.NGUYỄN ĐĂNG KHANG
Nhóm Sinh viên thực hiện :
Lớp :ĐIỆN 2
Khóa : 5
Khoa : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN
Tên đề tài
NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTƠ TỰA TỪ
THÔNG ROTO (FOC)
Page 1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Lời nói đầu
Lời nói đầu
Ngày nay,động cơ điện được sử dụng rộng rải trong mọi lỉnh vực của đời
sống xã hội,đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại,và trong
nhiều lỉnh vực đời sống không thể thiếu các động cơ điện,vì vậy các loại động
cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn 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 dể dàng,giá thành rẻ,vận
hành êm,kích thước nhỏ gọn,làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tố,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 đây, 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.tuy nhiên với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật
ngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý,điện tử công suất cộng các lý thuyết điều

FOC (điều khiển vecto tựa từ thông roto) bao gồm các phần chính sau:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết thuật toán FOC
- Mô phỏng bằng Matlab đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật
toán điều khiển FOC để chứng minh việc đúng đắn của công việc mình đang
làm
- Đi đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và củng như vị trí
ứng dụng của nó.
Page 3
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
khoa điện đặc biệt là thầy giáo NGUYỄN ĐĂNG KHANG,giáo viên khoa điện
trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đả trực tiếp giảng dạy và
cho chúng em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này.
Là một kỉ sư điện tương lai chúng em hiểu rỏ tầm quan trọng của động cơ không
đồng bộ 3 pha roto lồng sóc trong công nghiệp,quá trình sản xuất và củng như
tầm quan trọng của việc điều khiển tốc độ nó,trong đó có phương pháp điều
khiển theo vectơ tựa từ thông roto (foc).
Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án này
của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo xem
xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!
Hà nội,ngày 23/12/2011.
Nhóm sinh viên thực hiện:
NGUYỄN KIÊN CƯỜNG
HOÀNG NGỌC QUYẾT
LÊ VĂN NOAN
Page 4
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
Page 5
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
MỤC LỤC
I. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.1. VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC
I.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I.3. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC
I.3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.3.2.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
I.3.2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO
I.3.2.3. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO
I.3.2.4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I.3.2.5. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH
I.3.2.6. QUAN SÁT TỪ THÔNG
1.3.3. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC
II. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC
2.1. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
2.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC
Page 6
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ

chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần
Page 7
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
như không bảo trì.dải công suất rất rộng.
Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành:
• Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc
• Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn
ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc
Page 8
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình ảnh về rotor lồng sóc:
Lá thép của rotor và stator:
Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên
gọi là "lồng sóc"):
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Ta có từ phương trình momen của động cơ :
])
'
[(
'
3
22
2
11
2
2
1
X
S
R

∆
p
s
=
δ
p
đt
được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống
truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều
chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt
người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (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 lưới thì tiết kiệm được năng lượng
-khi điều chỉnh với
ω
<
1
ω

phần gần
đúng bằng động cơ chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh
ω
xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp này.
• Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator
Page 10
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện
áp,dòng điện,hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng,từ thông,dòng
điện của động cơ bị thay đổi.
-luật điều chỉnh tần số - điện áp
ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số,sức điện động stator động cơ được
điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không
đổi.động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức.có
thể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng:
vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số
sức điện động khe hở/tần số là hằng số
vùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi,điện áp được
duy trì không đổi,từ thông động cơ giảm theo tốc độ.
+theo khả năng quá tải :
Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải
dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến tần nguồn áp thường
có yêu cầu giử cho khả năng quá tải về momen 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 hạ )thì luật điều chỉnh u

+ Điều chỉnh vectơ dòng điện:
Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng
cũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ
dòng điện không gian. Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn
dòng thì dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc
lẫn nhau.
• Điều khiển trực tiếp mômen
Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh. Vì ψ
r
có quán tính cơ nên
không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi ψ
s
không thay đổi
ψ
r
. Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm
việc. Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơ
rôto ψ
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 hưởng
của bão hoà mạch từ tới R
s
lớn.
Kết luận :trong hệ thống truyền động điều khiển tần số,phương pháp
điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động
cơ tốt.
1.3.XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC
1.3.1 Tổng quan về FOC

Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc θ.
- Tham số không đổi.
- Mạch từ chưa bão hoà.
- Khe hở không khí δ đồng đều.
- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2π/3)
Page 13
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:
Trong đó :k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator.
:ψ
k
là từ thông cuộn dây thứ k. ψ
k
=ΣL
kj
i
j
. Nếu i=k: tự cảm, j≠k: hỗ cảm.
Ví dụ:ψ
a
=L
a a
i
a
+L
ab
i
b
+L
ac

r

L
aa
=L
bb
=L
cc
=L
s1
, L
AA
=L
BB
=L
CC
=L
r1

L
ab
=L
ba
=L
bc
=-M
s
, L
AC
=L

Ac
=Mcos(θ+2π/3)
L
aC
=L
bA
=L
cB
=L
Ca
= L
Ab
=L
Bc
=Mcos(θ -2π/3)
__
a
ψ
__ __
ψ
s
=
b
ψ
ψ
r
= ψ

=



ψ
b
ψ
c

ψ
A
ψ
B

ψ
C

ψA
ψ
B
ψ
C

i
a
i
b

i
c

i


0 R
S
0
0 0 R
S

R
r
0 0
0 R
r
0
0 0 R
r

L
S1
-M
S
-M
S

-M
S
L
S1
-M
S

-M

dt
d
(L
dt
d
dt
d
LR
r
t
m
mSS
+
+
)
)
ϑ
ϑ
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
[L
s
]

= [L
r
]

=
[L
m

cos(θ+2π/3) cos(θ-2π/3) cosθ
i
s
i
r
ψ
s
ψ
r
[L
S
] [L
m
(θ)]
[L
m
(θ)]
t
[L
r
]
u
s
u
r
i
s
i
r
3

s
α
,i
s
β
.
βα
ss
jii +=
s
i
)2(
3
1
}Re{i
s cbas
iiii
−−==
α
)(
3
3
}Im{i
s cbs
iii −==
β
Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên
αβ
Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thành
nghiên cứu 4 phương trình .

2
.i
c
I
a
x
y
θ
k
ω
k
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Đơn giản hơn, khi chiếu i
s
lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ ω
k
:
θ
k
=θ
0
+ ω
k
t
 Nếu ω
k
=0, θ
0
=0 :đó là phép biến đổi
với hệ trục α, β (biến đổi tĩnh)

Page 17
pha C
β
θ
S
d
q
α
i
s
β
i
s
α
i
s
q
i
s
d
pha B
pha A
hướng trục rôto
ψ
r
i
s
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:
a,b,c  αβ:

αβ  a,b,c:
).3(
2
1
).3(
2
1
βα
βα
α
ssc
ssb
sa
iii
iii
ii
−−=
+−=
=
d,q  αβ
i
s
α

= i
sd
cosθ - i
sq
sinθ
i

p
J
mm
cM
ω
+=
(2-2)
Page 18
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato :
dt
t
dtiRtu
dt
t
dtiRtu
dt
t
dtiRtu
sc
scssc
sb
sbssb
sa
sassa
)(
)(.)(
)(
)(.)(
)(

s
Ψ
+= .
(2-4)
Trong đó u
s
s
, i
s
s
, ψ
s
s
là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato.
Khi quan sát ở hệ toạ độ α,β:
Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo
các lồng sóc là ngắn mạch nên u
r
=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)
Từ thông stato và rôto được tính như sau:

dt
diR
r
r
r
rr
Ψ
+= .0
ψ

ós
: điện cảm tiêu tán phía stato)
L
r
: điện cảm rôto L
r
= L
σ
r
+ L
m
(L
ór
: điện cảm tiêu tán phía rôto)
L
s
: hỗ cảm giữa rôto và stato
(Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto
có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ).
Page 19
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
a) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định
αβ

Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi
do rôto quay với tốc độ ω so với stato nên có thể nói hệ toạ độ αβ quay tương đối
với rôto tốc độ -ω
r
s
rm

________
________
____
____
__
____
____
.0
.
+=Ψ
+=Ψ
Ψ−
Ψ
+=
Ψ
+=
ω
(2-6)
Tìm cách loại bỏ ψ
s
và i
r
: ta rút từ phương trình thứ 3 và 4 trong hệ (2-6) được:
)(
)(
1
m
s
s
s

Đặt σ=1-L
m
2
/(L
s
L
r
)(hệ số tản từ), T
s
=L
s
/Rs , T
r
=L
r
/R
r
và thay lại phương trình 1
và 2 trong hệ (2-6) :
dt
d
j
TT
L
i
dt
d
L
L
dt

.
ω
σ
(2-8)
Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ :
Page 20
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ

βαβ
β
βαα
α
ββαβ
β
αβαα
α
ψωψ
ψ
ωψψ
ψ
σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ
σ
σ
σ
σ

s
s
r
m
r
mr
s
rs
s
T
i
T
L
dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LLTL
i
TTdt
di
u
LLLT
i
TTdt

s
từ phương trình thứ 2 của (2-5) vào phương trình mômen (2-1):
)i(
L
L
.p.)
L
)Li(.(p.)i.(p.m
s
s
s
r
r
m
r
m
s
s
s
r
s
r
s
r
s
rM
∧ψ=−ψ∧ψ−=∧ψ−=
2
31
2

111
αββ
βαα
ββαβ
σ
αβαα
σ
ωψψ
ωψψ
σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ
σ
σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ
σ
rrsmrr
rrsmrr
s
s
r
rm
r

+
−
=+
)1(
)1(
111
)
1
(
111
)
1
(
(2-12)
Từ (2-13) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ
αβ như sau:
Page 21
1-σ
σL
m
T
r
T
σ
1+pT
σ
1
σL
s
P

sα
i
s
β
-
-
-
ψ
rβ
ψ
rα
m
M
m
C
L
m
L
m
ω
1
1+p
T
r
1
1+pT
r
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định
αβ

, ψ
r
α
, ψ
r
β
]
u
s
s
: ma trận đầu vào, u
s
s
T
=[u
s
α
, u
s
β
]
A
s
: ma trận hệ thống
B
s
: ma trận đầu vào
A
s
=

T
1
A
T
L
T
L
0
0
T
L
A
T
1
L
1

T
1
-

T
1

L
1LT
1

r
m
r
m
r
m
s
21
rm
r
r
m
mrm
mmr
s
12
s
11
ω
ω
ω
ω
ω
ω
+−=






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

σ
σ
ω
σ
σ
ω
σ
σ
σ
σ
.
1
1
σσ
σ
σ

0
0
; .I
0
0
khitrong ;
B
B
B
s
2
s
1

0
0
1
1
1
21
s
s
s
s
s
B
L
L
L
B
σ
σ
σ
Lập mô hình của động cơ theo các ma trận : từ (12) :
s
s
sss
s
uBxA
dt
dx
+=
ta có
Page 23

s
22
A
s
12
A
s
21
dψ
r
s
dt
I
s
s
(t)
dI
s
s
dt
ψ
r
s
(t)
B
s

∫
A
s

rr
f
rs
f
r
f
ss
f
s
LiLi
LiLi
j
dt
d
iR
j
dt
d
iRu
________
________
____
____
__
____
___
____
0
+=
+=

f
s
f
s
m
f
s
f
r
r
f
r
Li
L
L
Li
Li
L
i
−+=
−=
ψψ
ψ
(2-15)
Thế trở lại phương trình thứ 3 và 4 của (2-14) ta được phương trình :

rq
r
rdrsq
r

dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LTLL
i
TT
i
dt
di
u
LLTL
ii
TTdt
di
ψψω
ψ
ψωψ
ψ
σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ

+
−
−
−
+−−=
+
−
+
−
++
−
+−=
(2-16)
Biến đổi tiếp hệ (2-16) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ ψ
r
, tức là ψ
rq
= 0:
Page 25