MỤC LỤC
MỤC LỤC…………………………………………………………………..1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT………………………………………………3
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU…………………………………………….3
DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………................4
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………5
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ..6
1.1. Tìm hiểu động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha…………………...6
1.2. Cấu tạo…………………………………………………………..7
1.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện đồng bộ 3 pha………….9
1.4. Phân loại động cơ đồng bộ……………………………………...9

CHƯƠNG 2. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ……..10
CỰC CHÌM
2.1. Cấu tạo động cơ IPM…..………………………………………11
2.2. Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ…………………………..14
2.3. Đặc tính cơ của động cơ IPM….……………………………....15
2.4. Ứng dụng………………….…………………………………...18

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRÊN
DÒNG ĐIỆN CỰC ĐẠI
3.1. Mô hình động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q……………………...19
1


3.2. Phương pháp điều khiển momen trên dòng điện cực đại……...20
KẾT LUẬN……………………………………………………………......30
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………..31
PHỤ LỤC………………………………………………………………….32

2


Direct Torque Control

Điều khiển trực tiếp momen

MTPA

Maximun torque per amp

Cực đại momen trên dòng

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1. Bảng số liệu MTPA
Bảng P.1. Tham số động cơ

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu tạo động cơ đồng bộ
Hình 1.2: Hình ảnh so sánh động cơ ĐB NCVC cực ẩn và cực chìm
Hình 2.1: Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 2.2: Cấu tạo động cơ IPM
Hình 2.3: Thành phần ngang trục và dọc trục của động cơ IPM
Hình 2.4: Một số loại rotor động cơ IPM thường gặp
Hình 2.5: Sơ đồ thay thế một pha
Hình 2.6: Đặc tính cơ của động cơ IPM
Hình 2.7: Đồ thị vector của động cơ IPM
Hình 2.8: Đặc tính momen của động cơ IPM
Hình 3.1: Sơ đồ thay thế cho động cơ IPM

Trong quá trình làm đồ án, em nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy
PGS-TS Nguyễn Văn Liễn.Do đó em đã hoàn thành Đồ án II với đầy đủ nội
dung mà thầy yêu cầu. Tuy nhiên do bản thân em kiến thức còn hạn chế, thời
gian hạn chế nên báo cáo đồ án còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Em mong
nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài báo cáo tốt hơn.

CHƯƠNG 1
5


GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

1.1.Tìm hiểu động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha
Động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây được sử dụng nhiều và
cũng có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động
điện.
-Ưu điểm:
Động cơ điện đồng bộ có khả năng
làm việc ở chế độ cosϕ = 1, và không
cần lây công suất phản kháng từ lưới
điện, nên hệ số công suất của lưới điện
được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và
tổn hao công suất trên đường dây. Động
cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của
điện áp lưới do moomen tỷ lệ với điện
áp U, còn động cơ di bộ có momen tỷ lệ
với bình phương điện áp U.

-Nhược điểm:
Cấu tạo của động cơ đồng bộ phức

+)Loại cực lồi: Dây quấn được quấn xung quanh cực từ. Ở máy điện lớn
thì trên cực còn được xẽ rãnh để đặt cuộn khởi động. Dành cho những
loại có tốc độ quay thấp, số đôi cực lớn (2p>4).
+)Loại cực ẩn: Người ta sẽ rãnh ở 2/3 chu vi roto. Roto của loại này
thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực li tâm khi tốc độ
lớn, số đôi cực 2p=2.

Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu: thì phần cảm ứng được kích
thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt phần
cảm ứng. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariucobalt(SmCO5, SmCO7) hoặc Neodymium-iron-boron(NdFeB), là các nam
châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn
trên về mặt hoặc bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất
là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật
liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thủy tinh hoặc
bắt bu lông vít lên các thanh nam châm.
8


Ngoài ra đối với loại động cơ có roto có kích từ bằng điện thì phải có
thêm hệ thống kích thích của động cơ đồng bộ để cung cấp nguồn điện một
chiều cho dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ.

1.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện đồng bộ 3 pha
Cho dòng điện ba pha ia, ib, ic vào dây quấn ba pha của stato, dòng điện
ba pha sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p.
Ta hình dung từ trường quay stato như một nam châm có hai cực đang
quay với tốc độ n1. Đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto,
rôto trở thành một nam châm điện (đối với động cơ roto dây quấn).Tác dụng
tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra lực tác dụng lên rôto.
Vì từ trường quay stato quay với tốc độ n1 nên lực tác dụng ấy kéo rôto

điện động hình sin(PMAC) thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt
(SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM).
10


-

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực
từ bố trí mặt ngoài ( SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine).

-

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực
từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusoidal Interior Magnet Machine).

2.1. Cấu tạo động cơ IPM

Hình 2.2: Cấu tạo động cơ IPM
Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có rotor là
NCVC và dây quấn 3 pha ở stator. Trong động cơ đồng bộ NCVC thường
kèm theo các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ sử dụng cho hệ truyền động
servo. ĐB NCVC thường được cấp hoặc điều khiển từ một biến tần nguồn
áp hoặc nguồn dòng với điều khiển tần số và điện áp theo quy luật yêu cầu.
Động cơ IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), còn
gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ
đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu. Trong đó phần cảm được kích
thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt rotor. Các thanh nam
châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có suất năng lượng
11


sinh momen của máy điện.
13


Với yêu cầu chính của các hệ truyền động là vận hành êm ái, do đó cần
hạn chế momen rãnh và momen đập mạch do các sóng hài không gian và
thời gian gây ra. Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các
nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây
quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm. Kỹ
thuật tạo ra các rotor xiên là khá đắt tiền và phức tạp.
Nhờ việc gắn chìm các nam châm trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa
điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo ra khả năng sinh momen
từ trở cộng thêm vào momen vốn có của nam châm. Đặc tính này khiến
động cơ IPM có khả năng sinh momen rất cao.
Ngoài ra, động cơ IPM còn có khả năng điều chỉnh tốc độ cao trên định
mức bằng phương pháp giảm từ thông. Khả năng điều khiển giảm từ thông
linh động với mọi loại tải, giảm nguy cơ khử từ của nam châm vĩnh cửu,
tang sức đề kháng với các tác động cơ học và ăn mòn, cộng với khả năng
làm việc ở nhiệt độ cao đã khiến động cơ IPM trở thành hướng nghiên cứu
mới tiềm năng cho các nhà khoa học.
2.2. Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ
Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ
và xây dựng đặc tính của chúng người ta thường sử dụng sơ đồ thay thế một
pha với các giả thiết như sau:
- Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hình sin đối xứng.
- Các thông số của động cơ không đổi.
- Dòng điện một chiều kích từ không thay đổi.
- Bỏ qua các tổn hao về cơ và hao phụ tải.
- Bỏ qua các ảnh hưởng của từ trường bậc cao trong máy.
Ta mô tả đại lượng điện áp và dòng điện ở các dạng vector phức, ta có

Khi momen vượt qua giá trị Mmax tốc độ động cơ sẽ mất dần tính đồng bộ.
Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính
góc: M= f(θ)

Hình 2.7: Đồ thị vector của động cơ IPM
Từ đồ thị vector hình trên ta có thể viết:
Is.cosϕ=Isq.cosθ-Isd.sinθ

(2.3)

Công suất động cơ nhận được từ lưới cũng coi gần đúng như công suất điện
từ:
Pđ=Pđt=3Us(Isq.cosθ - Isd.sinθ)
(2.4)
Các thành phần dòng điện trên các trục:
;

(2.5)

Thế biểu thức (2.5) vào (2.4) thu được phương trình:
Pđt= sinθ + 3.Us2 sinθ

(2.6)
16


Từ đó tính được momen điện từ của động cơ
M= [ sinθ + Us2 sinθ]

(2.7)



PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRÊN
DÒNG ĐIỆN CỰC ĐẠI
3.1. Mô hình động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q

Hình 3.1: Sơ đồ thay thế cho động cơ IPM
Phương trình điện áp stator:
Us = RsIs + dψs/dt

(3.1)

Chuyển phương trình từ hệ thống 3 pha cuộn dây pha của stator sang hệ tọa
độ đồng bộ từ thông ta sẽ thu được:
Us = RsIs + dψs/dt + j.ωsψs

(3.2)

Quan hệ giữa từ thông stator và rotor được mô tả như sau:
ψs = LsIs + ψp

(3.3)

Trong đó ψp là vector từ thông cực. Vì trục d của tọa độ trùng với trục của từ
thông cực, thành phần vuông góc (thành phần trục q) của ψp sẽ bằng 0. Vậy
là vector từ thông cực chỉ có duy nhất thành phần thực ψp.
Từ đó ta có phương trình thành phần từ thông:
ψsd = LsdIsd + ψp

(3.4)

- Phương pháp điều khiển vô hướng ( )
- Phương pháp điều khiển trực tiếp DTC
- Phương pháp điều khiển vector FOC
Phương pháp điều khiển vô hướng (): Tỉ lệ V/f giữ nguyên không đổi bất
kì thay đổi nào với f, thì từ thông sẽ giữ không đổi và momen quay trở thành
độc lập với tần số đầu vào. Khi tốc độ tăng, điện áp Stator phải được tăng
một cách cân xứng để giữ cho tỉ lệ Vs/f không đổi.
Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control- DTC)
là dựa trên tác động trực tiếp của các véc tơ điện áp lên véc tơ từ thông móc
vòng stator, làm thay đổi trạng thái của vec tơ từ thông stator dẫn đến thay
đổi trực tiếp tới mô men điện từ của động cơ. Đây là phương pháp điều
20


khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng mô men
nhanh, linh hoạt.
Phương pháp FOC (Field Orientated Control) gồm có các loại sau: điều
khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ
thông rotor. Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông
rotor có nhiều ưu điểm vượt trội: ứng dụng phương pháp vector không gian
ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên
hệ tọa độ (dq) ,triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục q, còn thành
phần từ thông trên trục d có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại
lượng dòng điện điện áp khi chiếu lên hai trục tọa độ d,q cũng là thành phần
một chiều.
Với những ưu điểm trên trong đề tài này em sử dụng phương pháp điều
khiển động cơ đồng bộ định hướng theo từ thông rotor.
Phương pháp điều khiển
Ta có phương trình momen của động cơ:
MM = pc(ψpisq + isdisq(Lsd – Lsq))

Thay vào phương trình (3.8) ta thu được phương trình sau:
MM = pc(ψpiscos(β) – is2sin(β)cos(β)(Lsd – Lsq)

(3.9)

Momen bao gồm:Momen do từ thông nam châm gây ra và momen từ trở.
Lúc này momen là hàm

β

của. Vậy ta tìm

β

để tỉ số ] lớn nhất.

Từ công thức ta có thể vẽ được ảnh hưởng của góc pha dòng điện đối với
thành phần momen. Sau đây là hình được vẽ trên simulink cho giá trị
momen.

22


Hình 3.3: Ảnh hưởng của góc pha vector dòng điện lên momen động cơ
Chúng ta nhận thấy khả năng sinh momen của động cơ trong phương
pháp điều khiển momen cực đại lớn hơn rất nhiều so với phương pháp điều
khiển isd=0. Do phương pháp điều khiển isd≠0 có thêm thành phần momen từ
trở nên thành phần momen tổng sẽ lớn hơn so với phương pháp điều khiển
isd=0 như hình 3.2. Điều này chứng minh là đáp ứng tốc độ trong phương
pháp điều khiển momen cực đại nhanh hơn.Tốc độ lớn nhất có thể đạt được


Từ biểu thức trên ta có thể viết biểu thức momen trong hệ tương đối là:
(3.13)

(3.14)

24


Hình 3.4: Quỹ đạo dòng điện với momen hằng để đạt được cực đại tỉ số
momen/dòng điện
Hình 3.4 mô tả quỹ đạo momen hằng số cho m* là hàm số của thành phần
dòng điện dọc trục và ngang trục. Thí dụ ta quan sát trong trường hợp m* =1
ở góc phần tư thứ hai. Độ dài khoảng cách từ một điểm bất kì trên quỹ đạo
đến gốc tọa độ là biên độ dòng stato.
(3.15)

|i s| =

Tại điểm A trên quỹ đạo khoảng cách điểm OA là ngắn nhất, tức dòng
điện đạt cực tiểu, hay nói cách khác tỷ số “momen/dòng điện” đạt cực đại

25