Trờng đại học bách khoa Hà Nội
khoa Điện
Bộ môn tự động hóa xncn
***
Đồ án tốt nghiệp
Đề tài: điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ
rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp
Chủ nhiệm bộ môn : TS Nguyễn Mạnh Tiến
Thầy giáo hớng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
Sinh viên : Nguyễn Đình Quang
Số hiệu : 20022260
Lớp : TĐH1 - K47
Hà nội - 5/2007
Lời cam đoan
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Điều khiển trực tiếp mômen
động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp do em
tự thiết kế dới sự hớng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối đồ án, em đảm bảo
không sao chép các công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của ngời
khác.
Sinh viên

Nguyễn Đình Quang
Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển của các nghành kỹ thuật điện tử, công
nghệ thông tin là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hóa. Trong sản
xuất công nghiệp, tự động hóa quá trình sản xuất là mũi nhọn và then chốt để
giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Một trong những
vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ của
động cơ. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng

1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
1
1.1.3 Nguyên lý hoạt động
2
1.1.4 ứng dụng, u điểm và nhợc điểm của động cơ không đồng bộ
3
1.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
3
1.2.1 Sơ đồ thay thế
4
1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
. 4
1.2.3 Các phơng trình điện áp
6
1.2.4 áp dụng phép chuyển hệ tọa độ Park
7
1.2.5 Các phơng trình ma trận điện áp
8
1.3 Không gian vectơ và mô hình toán học của động cơ
9
không đồng bộ trong không gian véctơ
1.3.1 Vectơ không gian dòng điện
10
1.3.2 Từ thông trong không gian
pha 11
1.3.2.1 Từ thông stator trong hệ tọa độ cố định gắn với
Stator 12
1.3.2.2 Từ thông rotor trong hệ tọa độ gắn với Rotor
13
1.3.2.3 Từ thông rotor biểu diễn trên hệ tọa độ cố định gắn với

22
Chơng 2: Biến tần nguồn áp và một số phơng pháp .
23
điều khiển động cơ không đồng bộ
2.1 Biến tần bán dẫn .
23
2.1.1 Cấu trúc của biến tần bán dẫn
23
2.1.2 Phơng pháp PWM thông thờng
24
2.1.3 Phơng pháp PWM điều chế vectơ không gian
27
2.2 Chiến lợc điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
29
2.2.1 Giới thiệu chung
29
2.2.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f
31
2.2.3 Điều khiển véctơ dòng điện
36
2.3.4 Giới thiệu nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômen (DTC)
. 39
Chơng 3: Phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen
43
3.1 Phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen
43
3.1.1 Giới thiệu chung
43
3.1.2 Nguyên lý điều khiển tần số động cơ KĐB trên cơ
44

54
3.2.2.1 Bảng chọn 6 sector nhng chia khoảng khác nhau
54
3.2.2.2 Bảng chọn 12 sector
56
3.2.3 Cải tiến bộ ớc lợng từ thông
61
Chơng 4. Mô phỏng hệ thống
. 64
4.1 Mô hình mô phỏng
64
4.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ
64
4.3 DTC cải tiến với 12 sectơ
76
Kết luận
Danh mục các Ký hiệu và các chữ viết tắt
a
toán tử 120
0
.
( )
ri
i t
dòng điện rotor trên pha i.
r
i
dòng điện pha rotor biểu diễn trên hệ toạ độ rotor.
'
r

tổng cảm kháng của 3 pha stator.
s
L
tự cảm của stator.
1s
L
cảm kháng rò stator.
sm
L
cảm kháng từ hoá stator.
r
M
hỗ cảm giữa các cuộn rotor.
s
M
hỗ cảm giữa các cuộn stator.
sr
M
giá trị lớn nhất của hỗ cảm giữa các cuộn rotor và stator.
p
toán tử vi phân.
P
số đôi cực.
r
R
điện trở rotor.
s
R
điện trở stator.
s

điện áp stator trên hệ toạ độ stator.
'
s
u
điện áp stator trên hệ toạ độ rotor.
wm
tốc độ cơ học.
pc
w
tốc độ chuẩn hoá và tính bằng phần trăm.
wr
tốc độ rotor.
ws
tốc độ stator.
r

góc pha giữa từ thông rotor so với trục ngang của hệ toạ độ stator.
s

góc pha giữa từ thông stator so với trục ngang của hệ toạ độ stator.
m

góc lệch giữa rotor và stator.
r

góc rotor.
s

góc stator.
( )

các thành phần hoành và tung stator trên hệ toạ độ gắn với rotor.
g
hệ trục toạ độ bất kỳ.
m
từ hoá.
r
rotor.
, ,ra rb rc
các pha của rotor.
Ref tín hiệu đặt.
s
rotor.
, ,sA sB sC
các pha của stator.
/x y
các thành phần tung và hoành trên hệ toạ độ bất kỳ.
Ký hiệu toán học.
x nhân vector.
* nhân số ảo.
Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Bảng chọn các sectơ
28
Bảng 3.1 Bảng chọn chung cho phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen k là thứ
tự
sectơ
47
Bảng 3.2 Bảng chọn các vectơ điện áp tối u
50
Bảng 3.3 Tác động của mỗi trạng thái trong 2 phơng pháp TI/TD: tăng/ giảm
mômen, FI/FD: tăng giảm từ

điển 26
Hình 2.5 Cấu trúc nghịch lu PWM 3 pha
27
Hình 2.6 Các vectơ điện
áp 28
Hình 2.7

Thực hiện vectơ điện áp V
ref

trong sectơ
1 28
Hình 2.8 Biểu đồ xung của các vectơ điện áp thuộc góa phần t thứ nhất
S
1
30
Hình 2.9 Phân loại các phơng pháp điều khiển động cơ KĐB .
31
Hình 2.10 Các dạng đặc tính
34
Hình 2.11 Các dạng đặc tính cơ động cơ KĐB khi ta thay đổi tần số theo quy luật
điều chỉnh U và f 35
Hình 2.12 Sự tơng quan giữa điều khiển ĐC 1 chiều và điều khiển
vectơ 36
Hình 2.13 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện : Mômen và kích
từ 37
Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ thông
Rotor 38
Hình 2.15 Vectơ từ thông
s

nó 58
Hình 3.12 Khâu Rơle 4 vị trí
59
Hình 3.12 Tám vùng không gian của sự biến thiên từ thông và
mômen . 60
Hình 3.13 Bộ tích phân cải tiến với bộ hạn chế biên
độ62
chơng 1
Tổng quan về động cơ không đồng bộ
1.1 giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ
Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên
cứu ảnh hởng của từ trờng dòng điện. Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám
phá ra trờng điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời. Faraday tiếp tục khám
phá ra cảm ứng điện từ vào năm1831 nhng phải đến năm 1833 thì Tesla mới phát
minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều. Ngày nay, các động cơ điện chia làm
2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều
gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Cho đến ngày nay, lý thuyết
xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla/.
Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và
phần Rotor quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ
Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch)
1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) .
1. Stator:
Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.
a. Vỏ máy
Thờng làm bằng gang. Đối với máy công suất lớn (>1000kW) thờng dùng
thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố dịnh và không dùng để dẫn từ .
b. Lõi sắt

đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó
trong khe hở không khí xuất hiện từ trờng quay mà thành phần bậc 1 của từ
truờng này quay với tốc độ góc là:
p
f
=
2
1

(1.1)
trong đó: f

là tần số dòng điện cáp cho stator
p là số đôi cực của dây quấn stator.

Đồng thời từ trờng Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong các
thanh dẫn Rotor (đối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rotor (đối với
loại Rotor dây quấn). Các dòng điện Rotor này đặt trong từ trờng Stator quay nên
sinh ra lực điện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra mômen quay Rotor ,
Rotor quay cùng hớng với từ trờng Stator quay.
Lúc đầu khi từ trờng Stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắt
kịp từ trờng quay đó, đồng thời từ trờng quay quét qua Rotor càng giảm nên sức
điện động cảm ứng phía Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũng giảm theo.
Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trờng quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từ
đợc sinh ra và rotor quay chậm lại. Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc độ
đông bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của
động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trợt.
1.1.3 ứng dụng, u và nhợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha
Các động cơ không đồng bộ có u điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất đợc dễ

Độ từ thẩm của phần sắt là cao.
Mật độ từ thông trong khe hở không khí là hớng tâm.
Bỏ qua tổn hao sắt.
1.2.1 Sơ đồ thay thế
o
r
f
ẹKB
o
o
U
1
~
I
1
I
2




Hình 1.1 Sơ đồ thay thế đông cơ không đồng bộ
Đối với động cơ không đồng bộ có một số sơ đồ thay thế nh: sơ đồ thay thế hình
T hoặc hình

.ở trên là sơ đồ thay thế hình

của động cơ không đồng bộ. Trong
sơ đồ thay thế trên ta có :
U


(1.2)
với
1

là tốc độ góc của từ trờng quay hay tốc độ đồng bộ


m
là tốc độ góc của động cơ
1.2.2 .Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập. Từ giản
đồ thay thế ta tính đợc:
1 1
2 2
2 2
2
0 0
1
1 1
'
( )
nm
I U
R
R X
R X
s
nm
=X
1
+X
2

điện kháng ngắn mạch.
mặt khác ta cũng tính đựoc dòng điện rôto quy đổi về stato nh sau:
(1.4)
Từ điều kiện cân bằng công suất của dộng cơ ta có phơng trình momen động cơ
có dạng nh sau:

sX
s
R
R
RU
Te
nm








+



R X
=
+
(1.6)
từ đó ta có momen tới hạn:
( )
22
111
2
1
2
3
nm
th
XRR
U
Te
+
=

(1.7)
dấu + ứng với trờng hợp động cơ không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ,dấu
ứng với khi dộng cơ làm việc ở chế độ máy phát
1.2.3 Các phơng trình điện áp.
2
21
2
2
1
1

hiện trong chế độ xác lập cũng nhh chế độ quá độ ta tiếp tục nh sau:
Điện áp của stator đợc viết trên hệ toạ độ gắn với trục động cơ. Theo cách này,
điện áp rotor đợc viết trên hệ toạ độ quay gắn với rotor.
Ta có thể biểu diễn phơng trình trong hệ toạ độ tĩnh nh sau:
( )
( ) ( )
sA
sA s sA
d t
u t R i t
dt

= +

(1.8.a)

( )
( ) ( )
sB
sB s sB
d t
u t R i t
dt

= +

(1.8.b)
( )
( ) ( )
sC

( ) ( )
rc
rc r rc
d t
u t R i t
dt

= +

(1.9.c)
Giá trị từ thông tức thời của stator đợc biểu diễn nh sau:
2 4
( ) cos cos( ) cos( )
3 3
sA s sA s sB s sC sr m ra sr m rb sr m rc
t L i M i M i M i M i M i


= + + + + + + +
(1.10.a)
4 2
( ) cos( ) cos cos( )
3 3
sB s sA s sB s sC sr m ra sr m rb sr m rc
t M i L i M i M i M i M i


= + + + + + + +
(1.10.b)
2 4

3 3
ra sr m sA sr m sB sr m sC r ra r rb r rc
t M i M i M i M i M i L i


= + + + + + + +
(1.11.c)
Kết hợp tất cả các phơng trình trên ta có ma trận sau:
2
1
1 2
2 1
1 2
cos
cos
cos
cos cos cos
cos cos cos
cos cos cos
s s s s
sr m
sA
s s s s
sr m
sB
sC s s s s
sr m
ra
sr m sr m sr m
r r


+

=

+ 1 2
2
cos cos
cos cos
cos cos
.
sr m sr m
sA
sr m sr m
sB
sC
sr m sr m
ra
r r
rb
r r r r
rc
r r r r
pM pM


+ +

(1.12)
1.2.4 áp dụng phép chuyển hệ toạ độ Park
Để rút gọn biểu thức cho phơng trình điện áp động cơ không đồng bộ, ta có thể
áp dụng phép chuyển hệ toạ độ Park. Về mặt vật lý có thể hiểu nó là việc chuyển
từ ba cuộn dây của động cơ không đồng bộ thành cuộn dây đặt vuông góc nhau
nh hình vẽ sau:
Hình 1.3 Sơ đồ của phép chuyển hệ trục toạ độ
Từ hình vẽ ta có thể thấy mối quan hệ giữa hai trục toạ độ đợc thể hiện nh sau:
0
1 1
1
2 2
2
2 2
. cos cos( ) cos( ) .
3 3
sin
2 2
sin( ) sin( )
3 3
s sA

+
(1.13)
0
1
cos sin
2
2 2
1
. cos( ) sin( ) .
3 3
2
2 2
cos( ) sin( )
1
3 3
2
sA s
sB sD
sC sQ
u u
u c u
u u
( . )
.
( . )
( . )
sD sD
s s s s m m m r
sQ sQ
s s s s m m r m
m m s m r r r r
r r
m s m m r r r r
r r
u i
R pL L p pL L P w p
u i
L p R pL L P w p pL
pL L p P w R pL L p
u i
L p P w pL L p R pL
u i

+ +



0 0
0 0
.
.
.
sD sD
s s m
sQ sQ
s s m
m m m r r r m
rd rd
m m m r m r r
rq rq
u i
R pL pL
u i
R pL pL
pL L P w R pL L p
u i
L P w pL L p R pL
u i



+




+

i
u
R pL L Pw pL L Pw
i
u
L Pw R pL L Pw pL
pL R pL
u
u
pL R pL
u
u

+


+

=
+






+

=


+



+




(1.19)
1.3 Không gian véctơ và mô hình toán học của động cơ
không đồng bộ
Việc chuyển đổi vecto không gian nhằm chuyển đổi các đại lợng tức thời của
hệ toạ độ ba pha về mặt phẳng phức gắn vuông góc với trục động cơ. Trong mặt
phẳng này, các đại lợng pha sẽ quay với góc bằng với tần số góc trong hệ toạ độ
ba pha. Ví dụ một đại lợng pha quay với tốc độ góc có thể miêu tả trờng điện từ
quay. Thêm vào đó, trong trờng hợp đặc biệt là trạng thái dừng, khi đó điện áp
cung cấp là hình sin và đối xứng, thì đại lợng không gian pha bằng với đại lợng
pha điện áp ba pha. Ta có thể mô tả bằng hình sau:
Hình 1.4 Chuyển đổi tơng đơng các cuộn dây của động cơ không đồng bộ
Để chuyển từ hệ trục toạ độ cố định sang hệ trục toạ độ không gian pha, ta phải

trục gắn với rotor quay.
Hình 1. 4 Mặt cắt ngang của động cơ KĐB với các hệ trục toạ độ gắn
trªn Stator vµ Rotor
Dßng ®iÖn trong hÖ to¹ ®é kh«ng gian pha ®îc biÓu diÔn nh sau:
2
2
[1. ( ) . ( ) . ( )]
3
j
s sA sB sC s
i i t a i t a i t i e
θ
= + + =

(1.22)
Khi biÓu diÔn trªn hÖ to¹ ®é g¾n trªn stator, trôc thùc cña hÖ trôc to¹ ®é ®îc ký
hiÖu lµ sD, vµ trôc ¶o cña nã ®îc ký hiÖu l¸ sQ. Ta cã thÓ viÕt ph¬ng tr×nh dßng d-
íi d¹ng sau:

( ) . ( )
s sD sQ
i i t j i t= +
(1.23)
Hay:
2
2
2
Re( ) Re[ (1. . . )]
3
2

= + + =
= + + =
(1.25)
T¬ng tù nh trªn, dßng ®iÖn rotor cã thÓ ®îc viÕt nh sau:
2
2
[1. ( ) . ( ) . ( )]
3
j
r ra rb rc r
i i t a i t a i t i e
α
= + + =

(1.26)
BiÓu diÔn trong hÖ to¹ ®é g¾n víi rotor, trôc thùc cña hÖ to¹ ®é ®îc ký hiÖu lµ
r
α

vµ trôc ¶o cña nã ®îc biÓu diÔn b»ng
r
β
.
Dßng ®iÖn rotor trong kh«ng gian pha ®îc biÓu diÔn nh sau:
'
( )
m
j
j
r r r

i i a i a i i


= + + =
= + + =
(1.29)
Quan hệ giữa hệ dòng điện không gian pha và dòng điện thực có thể biểu diễn nh
sau:
2
2 2
2
2
Re( ) Re[ (1. . . )]
3
2
Re( ) Re[ (1. . . )]
3
2
Re( ) Re[ (1. . . )]
3
r ra rb rc ra
r ra rb rc rb
r ra rb rc rc
i i a i a i i
a i i a i a i i
ai i a i a i i
= + + =
= + + =
= + + =


2
2
( ) ( ) ( )
4 2
( cos cos( ) cos( ))
3 3
2
2 4
3
( cos( ) cos cos( ))
3 3
4 2
( cos( ) cos( ) cos )
3 3
sA s s s sB s s s sC s s s
ra sr m sr m s m
s
rb sr m sr m s m
rc sr m sr m s m
i L aM a M i M aL a M i M aM a L
i M aM a M r
i M aM a M r
i M aM a M r








3 3
4 2
. ( cos( ) cos( )
3 3
sA s s s sB s s s sC s s s
ra sr m sr m s m
s
rb sr m sr m s m
rc sr m sr m
i L aM a M a i a M L aM a i aM a M L
i M aM a M r
a i a M M aM r
a i aM a M M




+ + + + + + + + +
+ + + + + +
=
+ + + + + +
+ + + + + cos )
s m
r

= + = + = + =
= +
(1.35)
Trong đó Ls là tổng cảm kháng stator ba pha và Lm là cảm khảng từ hoá ba pha.
Ta thấy cuối cùng từ thông phụ thuộc vào 2 thành phần, đó là dòng điện rotor và
dòng điện stator.
Ta cũng có thể biểu diễn từ thông theo cách khác nh sau:
s sD sQ
j

= +

(1.36)
Trong đó thành phần thực và ảo là:
sD s sD m rd
L i L i

= +

(1.37)
sQ s sQ m rq
L i L i

= +

(1.38)
1.3.2.2 Từ thông rotor trong hệ toạ độ gắn trên rotor.
Từ thông rotor trong hệ toạ độ gắn với rotor đợc biểu diễn nh sau:
2
2