1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ THU
ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
TÓM TẮT LUẬN VĂN

3

CHƢƠNG 1
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ
- Động cơ không đồng bộ xoay chiều đƣợc Faraday phát minh ra năm 1833.
- Ngày nay động cơ xoay chiều đƣợc chia làm hai loại động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.
- Một trong những vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ của động. Đặc
biệt là động cơ xoay chiều rôto lồng sóc.
- Điều khiển động cơ không đồng bộ với hƣớng điều khiển U/f, điều khiển trực tiếp mômen động cơ.
1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rôto (phần quay) .
1. Stator:Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.
2. Rôto: Trục, lõi sắt và dây quấn
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Khi 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 trƣờng quay mà
thành phần bậc 1 của từ truờng này quay với tốc độ góc là:

1

 Bỏ qua ảnh hƣởng của khe hơ không khí.
 Độ từ thẩm của phần sắt là cao.
 Mật độ từ thông trong khe hở không khí là hƣớng tâm.
 Bỏ qua tổn hao sắt.
a, Sơ đồ thay thế
Hình 1.1. Sơ đồ thay thế đông cơ không đồng bộ(ĐK)
b, 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 điều kiện cân bằng công suất của động cơ ta có phƣơng trình mômen động cơ có dạng nhƣ sau:

22
12
2
3
2

I
1

I
2

r’
2
/s
o
o
U
1




o r
f

ĐK
o

o
U
1
~

kjkk
iL


Mômen điện trở của động cơ :
m
k
k
k
d
d
iM


.
2
1



Đặt a
s
, b
s
, c
s
, a
r
, b
r

L

: điện cảm tản
N
s
: số vòng dây một pha stator
N
r
: số vòng dây một pha rôto

m
: vị trí góc của dây quấn rôto
Thì có thể viết đƣợc 6 phƣơng trình điện áp cho ĐK nhƣ sau nếu mạch từ còn chƣa bão hòa (điện
cảm là hằng)
i
as
i
cs
i
bs
ω

θ
m
U
bs
U
cs
U
as

r r r
r
d
u R i
dt
d
u R i e
dt

  




   


(1.23)
''
' ' ' ' ' '
. . . ( )
. . . ( )
s
s
sm
s m m
s r s s s r
rm
mm
s r r r r s r

R
s
R
r
L
ϭs
L
ϭr
i
αs
i
αr
L
m
Ψ
αr
u
αs
u
αr
e
βr
R
s
R
r
L
ϭs
L
ϭr

iRu


 .SSSS
dt
d
iRu


;
rrrrS
dt
d
iRu


 .

(1.30)
7 rMSSS
iLiL


;

1
s
1
L
r
XX X X X
L
m
X
X
X
3p’
2
R
r
R
s
1
s
1
L
r
1
s
1
L
s
XX X X X
L
m

c
ψ
βr
ψ
αr
u
βr
u
αr
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

Hình 1.13. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ , 
b, Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (d, q, 0)
Các đại lƣợng véctơ không gian cũng có thể đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ trực giao d, q quay với tốc độ s
e
dr
R
s
R
r

i
qr
L
m
Ψ
qr
u
qs
u
qr
e
qs
Ψ
ds
Ψ
qs

Hình 1.16. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ d, q
Từ các phân tích và sơ dồ thay thế có thể dẫn ra đƣợc hệ phƣơng trình (1.34) với

 
 
T
ss
j
T
ass
uueuu
s


dr
drrrs
dt
d
iRU



(1.34)

drsl
qr
qrrqr
dt
d
iRU


drMdssds
iLiL 

;
drrdsMdr
iLiL
.



2L
r
R
r
R
s
1
s
1
L
r
1
s
1
L
s
L
m
p’
J.s
X
X
1
s
u
ds
u
qs
ψ
ds

-
-
-
-
-
X
X
-
ω

ω
s
ω
sl
-
ω
s

Hình 1.17. Sơ đồ cấu trúc của ĐK trong hệ trục tọa độ dq
c, Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O)

Hình 1.19. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với rôto
e
Ds
= -.ψ
Qs

e
Qs
= -.ψ

rD
rDrrD


.

dt
d
iRU
rQ
rQrrQ

Hình 1.20. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với rôto
r
θ
sψ
ω
s
Ψ
s
+ΔΨ
sHình 2.1. Biểu diễn các đại lƣợng trong hệ trục  gắn với stato
Mômen động cơ là biến thiên điều khiển cần phải điều khiển bám theo mômen tải Mc yêu cầu, có
ba khả năng
- Mđ > Mc cần phải giảm mômen,tức là đẩy lùi véc tơ
s


- Mđ < Mc cần phải tăng mômen, tức là đẩy tiến véctơ
s


- Mđ =Mc giữ nguyên
Trong điều khiển trực tiếp mômen, ngƣời ta thiết kế bộ điều khiển trực tiếp mômen theo kiểu đóng
cắt ba vị trí, đầu vào có lƣợng đặt mômen là mômen cản (Mc) và lƣợng thực mômen là mômen động cơ (
Mđ) đầu ra tín hiệu điều khiển dm
Khi Mđ > Mc + ∆m, dm = -1 (giảm mômen)
Khi Mđ < Mc - ∆m, dm = +1 (tăng mômen)
Khi Mđ - ∆m,< Mđ < Mc+ ∆m, dm = 0 (giữ nguyên mômen). Trong đó ∆m là bằng trễ.
Từ thông stato có thể tính toán đƣợc bằng cách tích phân phƣơng trình điện áp stato trong (1.7):


2
3
sin
2
m
rs s
sr
L
p
M
LL
  


 


11

2.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
2.2.1 Sơ đồ DTC:
Bảng
chọn
véctơ
điện
áp
+ -
Mô hình
động cơ

Sa
Sb
Sc
ω
*

ω
e
M
d
M

Hình 2.3. Sơ đồ khối của DTC
2.2.2 Các bộ điều khiển trong sơ đồ
1- Đo điện áp và dòng điện:
Dòng điện các pha của động cơ không đồng bộ và điện áp một chiều của biến tần và Switch chuyển
mạch của nghịch lƣa đƣợc đƣa vào khâu ƣớc lƣợng từ thông, mômen động cơ. Ở khâu này sẽ dự báo chính
xác các thông số.
2- Mô hình động cơ
Sẽ tính toán chính xác biên độ và góc quay từ thông. Tính toán mômen động cơ các giá trị này sẽ
đƣợc đƣa đến bộ so sánh từ thông và mômen.
3- Bộ so sánh từ thông và mômen:
Giá trị đặt của độ lớn từ thông stator và mômen đƣợc so sánh với giá trị thực và sai số thu đƣợc sẽ là
đầu vào cho hai khối trễ 2 và 3 vị trí tƣơng ứng.
Đầu ra của 2 khối trễ này, cùng với vị trí của từ thông stato đƣợc sử dụng làm đầu vào của bảng
chọn. Vị trí của từ thông stato đƣợc chia ra làm 6 séctơ riêng biệt. Sai số độ lớn từ thông stato và mômen
đƣợc hạn chế trong các dải trễ tƣơng ứng. Ngƣời ta chứng minh đƣợc dải trễ từ thông tác động mạnh đến sự
méo dòng điện stator trong vùng sóng hài thấp còn dải trễ mômen tác động mạnh đến tần số chuyển mạch.
4- Khối bảng chọn các véctơ điện áp tối ƣu:
Bao gồm bộ xử lý tín hiệu số (DSP) với bo mạch sẽ đóng vai trò đóng mở các van. Tần số đóng cắt

V
6) tạo ra sự thay đổi gián đoạn của véctơ từ thông
cả về biên độ và góc pha hình 2.4b. Ứng với một từ thông xác định tín hiệu điều khiển mômen đƣợc tính
toán và làm cho véctơ từ thông bắt đầu quay, bảng 2.2. liệt kê các véctơ điện áp sẽ đƣợc chọn và tác động
của chúng đến đồng thời cả từ thông và mômen. Các đoạn quỹ đạo AB, BC, CD, DE, … tƣơng ứng với gia
số véctơ từ thông
ψ
s
Δ
với mỗi chu kỳ tính toán của bộ điều khiển. Véctơ từ thông rôto
ψ
r
sẽ quay đều với
tốc độ s tƣơng ứng với hằng số thời gian khá lớn của mạch rôto Tr. Bảng 2.3 tổng hợp các sự thay đổi của
từ thông stator và mômen, nếu véctơ từ thông nằm ở vị trí nhƣ hình 2.4b, theo đó biên độ của từ thông sẽ
tăng rất nhanh nếu ta áp dụng véctơ
V
1 tăng vừa nếu áp dụng
V
2 và tăng ít nếu áp dụng
V
6 và giảm
nhiều, vửa và ít nếu áp dụng tƣơng ứng
V
4,
V
5 và
V
3. Tƣơng tự nhƣ vậy mômen sẽ tăng mạnh, vừa và ít
nếu áp dụng
Chọn véctơ điện áp
Tăng
Giảm
Từ thông Stator
V
k
, V
k+1
, V
k-1

V
k+2
, V
k-2
, V
k+3

Mômen
V
k+1
, V
k+2

V

6

V
1

0
V
0

V
7

V
0

V
7

V
0

V
7

-1
V
6

V
1

V
2

0
V
7

V
0

V
7

V
0

V
7

V
0

-1
V
5

V
6

V

V
6

V
7
/V
0

∆ψs
↑
↑
↓
↓
↓
↑
0
∆M
↓
↑
↑
↑
↓
↓
↓

= 1 khi eM > +BT
M

d
M
= - 1 khi eM < -BT
M

d
M
= 0 khi –BT
M
< e
M
< +BT
M 3.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG PHẢN HỒI
Mô hình động cơ dùng để tính toán
ψ
s
và M làm các đại lƣợng phản hồi, việc tính mômen có thể sử
dụng sơ đồ trên hình 3.1.


M
e

M
BT

Hình 3.2. Bộ điều khiển dải trễ ba mức

16 Hình 3.3. Mô hình dòng điện ƣớc lƣợng tín hiệu mômen điện từ
3
ˆ
()
2


   

m
r s r s
r
L
p
M i i
L

Nên có thể tính đƣợc điện áp thông qua việc đo điện áp mạch một chiều và biết trạng thái chuyển



Vị trí góc của véctơ từ thông có thể xác định đƣợc theo hình 3.2
X ∫
X

R
s
R
s
1/2
∫
÷
U
dc
S
a
S
b
S
c
i
as
i
bs
i
cs
abc
+
-

(3.1)
17

CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
4.1. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG:
4.1.1 Mô hình mô phỏng
angle
dTe/1
XY Graph
v
+
-
Te (N.m)
TU THONG DAT
F_d
F_q
Is_d
Is_q
Te
TINH MOMEN1
Is_abc
Is_d
Is_q

m
A
B
C
Induction
machine
Err_phi1
DC
Voltage
Source
|u|
u
Err_ Te
Err_ Phi
Sector
Gates
Bang chon
-dTe/1

Hình 4.1. Mô hình mô phỏng ƣớc lƣợng từ thông stator và mômen điện từ
- Biên độ từ thông đặt (Wb) và mômen đặt (N.m) sẽ là những giá trị đặt trực tiếp vào mô hình
mô phỏng (sơ đồ hình 4.1)
- DTC dựa trên bảng tra 2.2 mômen ƣớc lƣợng theo công thức 3.2
- Bộ điều chỉnh mômen là bộ điều chỉnh ba trạng thái có trễ theo bảng 2.2. Bộ điều chỉnh từ
thông là hai trạng thái có trễ theo bảng 3.3. Sai lệch từ thông và mômen mong muốn là ±5%
- 4.1.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ
- Thông số động cơ
Bảng 4.1. Thông số động cơ
Thông số
Giá trị


18

Điện cảm stator L
s

0,225H
Điện cảm rôto L
r

0,225H
-
Kết quả mô phỏng:
Đáp ứng mômen Hình 4.16. Đáp ứng mômen

Đáp ứng từ thông
U
đm
= 220/380 (V)
I
đm
= 5,4 (A)
P
đm
= 2,4 (KW)
Cosφ = 0,83
f = 50 Hz
n = 1450 (v/ph)
+ Tải sử dụng: Máy phát một chiều, hệ thống tải trở.
+PLC S7 300 thu thập tín hiệu
+Máy tính dùng Win CC để vẽ đặc tính.
* Các trang thiết bị đƣợc thể hiện trong các hình dƣới đây: 21
Hình 4.21. Hệ thống thí nghiệm

4.2.1. Kết quả thí nghiệm:
Sau khi thí nghiệm sử dụng biến tần điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ ta có đƣợc kết quả
của đáp ứng tốc độ nhƣ hình 4.28.

Hình 4.28. Đáp ứng tốc độ
Để có đƣợc đáp ứng tốc độ nhƣ hình 4.28 ta đặt tốc độ động cơ n

23

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
1. Kết luận:
Trong khuôn khổ luận văn này, kết quả Tôi đã thực hiện đƣợc việc nghiên cứu và thực nghiện một
phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đó là phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen với 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Bính: Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1994.
[2]. Nguyễn Văn Liễn, Bùi Quốc Khánh, Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội,
2009
[3]. Nguyễn Phùng Quang, Andreas Ditrich, truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản khoa học kỹ
thuật, 2004.
[4]. Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học
& kỹ thuật, 2006.
[5]. Nguyễn Phùng Quang: Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha , NXB Giáo dục
1996.
[6]. Võ Nhƣ Tiến, Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần cảm biến, Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng – Số 4/2005.
[7]. Võ Nhƣ Tiến, Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý tín hiệu số (DSP) điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ, Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2008-ĐN 06-05.
[8]. Võ Nhƣ Tiến, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển trực tiếp mô men động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
bằng phương pháp logic mờ, Hội Nghị toàn quốc lần thứ VI(VICA 6), Hà nội 12-14/4/2005.
[9]. M.R. Zolghadri, C. Pelisson, D. Poye (1996), Star Up of a Global Torque Control Systerm, IEEE
Trans. on Power Electronics, pp.370-374.
[10]. Nash J. (1997), Direct Torque Control, Induction Motor Vector Control without an Encoder, IEEE
Trans. on Ind. Applications, Vol.33, No.2 pages 333-341.