Đồ án: Nghiên cứu hệ điều khiển động cơ KĐB 3 pha roto lồng sóc bằng FOC

Đồ án phân tích phương pháp điều khiển vecto FOC tựa từ thông roto cho động cơ không đồng bộ ba pha. Trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hà
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Đăng Khang
• Trường học: Đại học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Tổng Hợp Hệ Thống Điện-Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Roto Lồng Sóc Bằng Phương Pháp Điều Khiển Vecto Tựa Từ Thông Roto (FOC)
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan FOC Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 3 pha

Phương pháp Điều khiển định hướng từ thông (Field-Oriented Control - FOC), còn được gọi là điều khiển vector (vector control), là một kỹ thuật tiên tiến để điều khiển tốc độ và moment của động cơ không đồng bộ 3 pha cũng như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Nguyên lý cơ bản của FOC là biến đổi mô hình toán học phức tạp của động cơ xoay chiều ba pha thành một mô hình tương đương với động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong động cơ DC, dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ có thể được điều khiển riêng biệt, cho phép điều khiển moment và từ thông một cách độc lập và chính xác. Thuật toán FOC thực hiện điều này bằng cách sử dụng các phép biến đổi toán học để tách rời hai thành phần dòng điện stator: một thành phần tạo ra từ thông (tương tự dòng kích từ) và một thành phần tạo ra moment (tương tự dòng phần ứng). Điều này cho phép biến tần FOC điều khiển moment động cơ một cách tức thời và chính xác, mang lại đáp ứng động học vượt trội so với các phương pháp điều khiển vô hướng truyền thống như V/f. Sự ra đời của FOC, cùng với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và điện tử công suất, đã cách mạng hóa các hệ truyền động điện hiệu suất cao, thay thế dần động cơ một chiều trong nhiều ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và đáp ứng nhanh.

1.1. Khái niệm và nguyên lý cốt lõi của điều khiển FOC

Bản chất của phương pháp điều khiển định hướng từ thông là điều khiển các biến dòng điện trong một hệ quy chiếu đặc biệt để chúng trở thành các đại lượng không đổi (tương tự DC) ở trạng thái xác lập. Cụ thể, FOC sử dụng hệ quy chiếu dq0 quay đồng bộ với vector từ thông rotor. Bằng cách định hướng trục 'd' của hệ quy chiếu này trùng với hướng của vector từ thông rotor, thành phần từ thông trên trục 'q' sẽ bằng không. Do đó, dòng điện stator được tách thành hai thành phần vuông góc: dòng điện trên trục d (Id) chỉ có tác dụng điều khiển từ thông rotor, trong khi dòng điện trên trục q (Iq) trực tiếp điều khiển moment của động cơ. Như trích dẫn từ cơ sở lý thuyết, moment điện từ có thể được biểu diễn bằng phương trình mM = K * Ψr * isq, trong đó Ψr là từ thông rotor và isq là thành phần dòng điện sinh moment. Khi giữ Ψr không đổi, moment động cơ sẽ tỷ lệ thuận trực tiếp với isq. Điều này cho phép hệ thống điều khiển riêng biệt hai đại lượng quan trọng nhất của động cơ, tương tự như trong động cơ DC.

1.2. So sánh FOC với phương pháp điều khiển V f truyền thống

Phương pháp điều khiển V/f (Voltage per Hertz) là một kỹ thuật điều khiển vô hướng, đơn giản và phổ biến. Nó duy trì từ thông động cơ gần như không đổi bằng cách giữ tỷ lệ giữa điện áp và tần số cấp cho stator là hằng số. Mặc dù hiệu quả cho các ứng dụng tải có moment không đổi như bơm và quạt, V/f có nhiều hạn chế. Nó không thể điều khiển moment một cách trực tiếp và có đáp ứng động học chậm, đặc biệt là khi có sự thay đổi đột ngột về tải hoặc tốc độ. Ngược lại, điều khiển vector (FOC) là một phương pháp điều khiển hữu hướng. Nó xem xét cả biên độ và pha của các vector dòng điện và điện áp. Nhờ khả năng điều khiển từ thông và moment độc lập, FOC mang lại hiệu suất vượt trội: đáp ứng moment gần như tức thời, độ chính xác điều khiển tốc độ cao trên toàn dải hoạt động (kể cả ở tốc độ gần bằng không), và hiệu suất năng lượng tối ưu. Tuy nhiên, sự phức tạp trong tính toán của thuật toán FOC đòi hỏi bộ vi xử lý mạnh hơn so với V/f.

II. Thách thức cốt lõi khi điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

Việc điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật đáng kể, chủ yếu xuất phát từ bản chất phức tạp và phi tuyến của nó. Không giống như động cơ DC, các đại lượng điện và từ trong động cơ AC ba pha có mối quan hệ ràng buộc chặt chẽ với nhau. Mô hình toán học của động cơ bao gồm một hệ các phương trình vi phân phi tuyến với các hệ số phụ thuộc vào thời gian và vị trí của rotor. Đặc tính cơ của động cơ cũng là một đường cong phức tạp. Trong các phương pháp điều khiển truyền thống, việc thay đổi điện áp cấp vào không chỉ ảnh hưởng đến moment mà còn làm thay đổi từ thông trong máy, dẫn đến hiệu suất không tối ưu và đáp ứng chậm. Sự tương tác phức tạp này làm cho việc điều khiển chính xác moment và tốc độ, đặc biệt trong các chế độ quá độ, trở nên vô cùng khó khăn. Để vượt qua những rào cản này, các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như FOC đã được nghiên cứu và phát triển, nhằm mục đích "tuyến tính hóa" và đơn giản hóa hành vi của động cơ, mở đường cho các ứng dụng hiệu suất cao.

2.1. Phân tích đặc tính cơ phi tuyến mạnh của động cơ

Theo tài liệu nghiên cứu, động cơ không đồng bộ 3 pha có "nhược điểm đặc tính cơ phi tuyến mạnh". Điều này thể hiện qua mối quan hệ giữa moment (M) và tốc độ (hoặc độ trượt s) không phải là một đường thẳng. Phương trình đặc tính cơ, M = f(s), là một hàm phức tạp phụ thuộc vào các thông số của động cơ như điện trở và điện kháng của stator và rotor, cũng như bình phương của điện áp cung cấp. Đặc tính này có một điểm tới hạn, chia đường cong thành hai vùng làm việc: vùng ổn định và vùng không ổn định. Sự phi tuyến này gây khó khăn cho các bộ điều khiển tuyến tính cổ điển, vì đáp ứng của động cơ thay đổi tùy thuộc vào điểm làm việc hiện tại (tốc độ và tải). Việc duy trì hoạt động ổn định và đạt được hiệu suất mong muốn trên toàn dải tốc độ đòi hỏi một cấu trúc điều khiển phức tạp có khả năng thích ứng với sự thay đổi này.

2.2. Sự ràng buộc giữa moment và từ thông trong điều khiển vô hướng

Trong các phương pháp điều khiển vô hướng (scalar control) như V/f, hệ thống chỉ điều khiển biên độ và tần số của điện áp cấp cho động cơ mà không quan tâm đến góc pha của chúng. Moment và từ thông trong động cơ xoay chiều vốn có mối liên hệ mật thiết. Khi thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ, điện áp cũng phải được điều chỉnh tương ứng để duy trì từ thông. Tuy nhiên, sự điều chỉnh này không hoàn hảo. Bất kỳ sự thay đổi nào về tải trọng cũng sẽ gây ra sự thay đổi về độ trượt và dòng điện, từ đó ảnh hưởng ngược lại đến từ thông. Sự ràng buộc này khiến cho việc điều khiển độc lập hai đại lượng trở nên bất khả thi. Kết quả là đáp ứng moment chậm và không chính xác, đặc biệt khi tải thay đổi đột ngột. Đây là hạn chế lớn nhất mà FOC ra đời để giải quyết, bằng cách phá vỡ mối liên kết này thông qua các phép biến đổi vector.

III. Nguyên lý thuật toán FOC Bí quyết điều khiển vector hiệu quả

Nguyên lý trung tâm của thuật toán FOC là việc sử dụng các phép biến đổi toán học để chuyển đổi các đại lượng xoay chiều ba pha trong hệ tọa độ tĩnh của stator thành các đại lượng một chiều trong một hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông. Quá trình này giúp đơn giản hóa đáng kể mô hình động cơ. Cụ thể, hệ thống dòng điện ba pha (ia, ib, ic) được đo lường và đầu tiên được biến đổi thành hệ hai pha trực giao tĩnh (iα, iβ) thông qua phép biến đổi Clarke. Sau đó, hệ thống này tiếp tục được biến đổi thành hệ hai pha trực giao quay (id, iq) bằng phép biến đổi Park. Bằng cách chọn hệ tọa độ quay này sao cho trục 'd' luôn thẳng hàng với vector từ thông rotor, toàn bộ từ thông sẽ nằm trên trục 'd', trong khi thành phần từ thông trên trục 'q' bằng không. Lúc này, dòng điện id sẽ trực tiếp điều khiển từ thông, và dòng điện iq sẽ trực tiếp điều khiển moment. Điều này tạo ra một cơ chế điều khiển trực giao, chính xác và nhanh chóng, là nền tảng cho hiệu suất vượt trội của các hệ truyền động điện sử dụng FOC.

3.1. Phép biến đổi Clarke Chuyển đổi từ hệ 3 pha a b c sang 2 pha α β

Phép biến đổi Clarke là bước đầu tiên trong thuật toán FOC, có nhiệm vụ chuyển đổi hệ thống ba đại lượng dòng điện/điện áp xoay chiều lệch pha 120 độ (pha a, b, c) thành một hệ thống hai đại lượng tương đương trong hệ tọa độ Descartes hai trục vuông góc cố định (α, β). Trục α thường được chọn trùng với trục của pha a. Phép biến đổi này không làm thay đổi bản chất của vector không gian tổng hợp mà chỉ biểu diễn nó trong một hệ quy chiếu khác gọn hơn. Việc giảm từ ba biến xuống còn hai biến giúp giảm đáng kể khối lượng tính toán cho bộ vi xử lý. Các phương trình của phép biến đổi Clarke (biến đổi thuận) tính toán các thành phần iα và iβ từ các dòng điện tức thời ia, ib, ic. Quá trình này là nền tảng cho phép biến đổi tiếp theo, giúp đơn giản hóa việc phân tích và điều khiển vector từ trường quay của động cơ.

3.2. Phép biến đổi Park Chuyển hệ tĩnh α β sang hệ quay d q

Phép biến đổi Park là bước biến đổi cốt lõi trong FOC, thực hiện việc chiếu các thành phần vector trong hệ tọa độ tĩnh (α, β) lên một hệ quy chiếu dq0 đang quay với tốc độ góc của từ thông rotor. Kết quả của phép biến đổi này là hai thành phần dòng điện id (direct) và iq (quadrature). Điều kỳ diệu của phép biến đổi này là nó biến các đại lượng xoay chiều hình sin trong hệ α, β thành các đại lượng gần như không đổi (DC) trong hệ d, q ở trạng thái xác lập. Điều này cho phép sử dụng các bộ điều khiển PI (Tỷ lệ - Tích phân) cổ điển, vốn rất hiệu quả trong việc khử sai số xác lập cho các tín hiệu DC, để điều khiển chính xác các dòng điện id và iq. Để thực hiện phép biến đổi Park, hệ thống cần biết chính xác góc quay tức thời (θ) của vector từ thông rotor, thông tin này có thể được lấy từ encoder hoặc từ các thuật toán ước lượng trong hệ thống FOC sensorless.

IV. Hướng dẫn cấu trúc và triển khai hệ thống biến tần FOC chi tiết

Một hệ thống biến tần FOC hoàn chỉnh là một sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm. Về phần cứng, hệ thống bao gồm một bộ vi điều khiển mạnh (ví dụ STM32 FOC), một bộ nghịch lưu công suất (Inverter), các cảm biến dòng điện trên các pha của động cơ, và trong nhiều trường hợp là một cảm biến vị trí như encoder. Về phần mềm, thuật toán FOC được thực thi trên vi điều khiển. Quy trình hoạt động bắt đầu bằng việc đo lường dòng điện ba pha thực tế từ động cơ. Các giá trị này sau đó được đưa qua phép biến đổi Clarke và phép biến đổi Park để tính toán các thành phần id và iq thực tế. Các giá trị này được so sánh với các giá trị đặt (id* và iq*) trong hai vòng lặp điều khiển riêng biệt. Các bộ điều khiển PI sẽ tính toán các điện áp điều khiển tương ứng (ud* và uq*). Các điện áp này sau đó được biến đổi ngược về hệ tọa độ tĩnh và được sử dụng bởi khối Điều chế vector không gian (SVPWM) để tạo ra các tín hiệu xung điều khiển bộ nghịch lưu, cấp nguồn chính xác cho động cơ không đồng bộ 3 pha.

4.1. Sơ đồ khối chi tiết của một hệ truyền động điện FOC

Sơ đồ khối của một hệ truyền động điện FOC thường bao gồm nhiều vòng lặp điều khiển lồng nhau. Vòng ngoài cùng là vòng lặp tốc độ, nơi tốc độ thực tế của động cơ (đo từ encoder hoặc ước lượng) được so sánh với tốc độ đặt. Sai số tốc độ được đưa vào một bộ điều khiển PI tốc độ, đầu ra của nó là giá trị dòng điện sinh moment đặt (iq*). Giá trị dòng điện tạo từ thông đặt (id*) thường được giữ không đổi (ở vùng tốc độ dưới định mức). Hai giá trị đặt này sau đó được đưa vào hai vòng lặp điều khiển dòng điện bên trong. Tại đây, id* và iq* được so sánh với các giá trị id, iq thực tế. Hai bộ điều khiển PI dòng điện sẽ tạo ra các điện áp đặt ud* và uq*. Các khối tiếp theo bao gồm biến đổi Park nghịch, khối SVPWM, bộ nghịch lưu và cuối cùng là động cơ. Tín hiệu phản hồi là các dòng điện pha và tốc độ, tạo thành một hệ thống điều khiển vòng kín hoàn chỉnh.

4.2. Vai trò của bộ điều khiển PI trong các vòng lặp điều khiển

Bộ điều khiển PI (Proportional-Integral) đóng vai trò trung tâm trong cấu trúc điều khiển FOC. Nhờ phép biến đổi Park, các đại lượng cần điều khiển (id, iq, và tốc độ) trong các vòng lặp đã trở thành các giá trị DC ở trạng thái xác lập. Điều này tạo điều kiện lý tưởng cho bộ điều khiển PI hoạt động. Thành phần Tỷ lệ (P) cung cấp một đáp ứng nhanh chóng đối với sai số, trong khi thành phần Tích phân (I) có nhiệm vụ triệt tiêu sai số xác lập, đảm bảo rằng giá trị thực tế sẽ bám chính xác theo giá trị đặt theo thời gian. Việc tổng hợp và tinh chỉnh các thông số Kp và Ki của các bộ điều khiển PI là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống FOC, quyết định đến độ ổn định, tốc độ đáp ứng và độ vọt lố của toàn bộ hệ truyền động điện.

4.3. Kỹ thuật điều chế vector không gian SVPWM tiên tiến

Điều chế vector không gian (SVPWM) là một kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) tối ưu được sử dụng trong các biến tần FOC. Khác với phương pháp điều chế sin (SPWM) truyền thống, SVPWM xem xét đồng thời cả ba pha đầu ra của biến tần như một vector không gian duy nhất. Kỹ thuật này cho phép tận dụng điện áp một chiều của biến tần một cách hiệu quả hơn, tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra cao hơn khoảng 15% so với SPWM. Ngoài ra, SVPWM còn giúp giảm sóng hài trong dòng điện động cơ, dẫn đến hoạt động êm ái hơn, giảm tổn hao và tăng hiệu suất chung của hệ thống. Thuật toán SVPWM tính toán thời gian đóng cắt cho các công tắc trong bộ nghịch lưu để vector điện áp trung bình trong mỗi chu kỳ PWM khớp chính xác với vector điện áp tham chiếu được tạo ra từ vòng lặp điều khiển FOC.

V. Ứng dụng thực tiễn và mô phỏng FOC trong hệ thống hiện đại

Nhờ hiệu suất và độ chính xác vượt trội, phương pháp FOC được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động điện yêu cầu cao. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm robot công nghiệp, máy công cụ CNC, hệ thống servo, xe điện (EV), thang máy và các dây chuyền sản xuất tự động. Trong các hệ thống này, khả năng điều khiển moment chính xác và đáp ứng tốc độ nhanh của FOC là yếu tố then chốt. Một lĩnh vực phát triển quan trọng là điều khiển FOC không cảm biến (FOC sensorless), giúp giảm chi phí, kích thước và tăng độ tin cậy bằng cách loại bỏ cảm biến vị trí cơ học. Trước khi triển khai trên phần cứng, việc mô phỏng FOC đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Các công cụ như MATLAB Simulink FOC cho phép các kỹ sư xây dựng mô hình toán học của toàn bộ hệ thống, từ động cơ đến thuật toán điều khiển, để kiểm tra, tinh chỉnh và xác thực thiết kế trước khi chế tạo. Điều này giúp rút ngắn đáng kể thời gian phát triển và giảm thiểu rủi ro.

5.1. Triển vọng và thách thức của điều khiển FOC không cảm biến

Điều khiển FOC không cảm biến (FOC sensorless) là một hướng phát triển hấp dẫn, nhằm thay thế các cảm biến cơ khí như encoder bằng các thuật toán ước lượng vị trí và tốc độ rotor. Các thuật toán này hoạt động dựa trên việc phân tích các đại lượng điện đo được như dòng điện và điện áp stator. Ưu điểm chính là giảm chi phí, loại bỏ dây dẫn tín hiệu phức tạp, tăng độ bền cơ học và cho phép hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của FOC sensorless là hiệu suất ở dải tốc độ thấp và bằng không. Tại các tốc độ này, sức điện động cảm ứng (back-EMF) của động cơ rất yếu, khiến cho việc ước lượng vị trí trở nên khó khăn và kém chính xác. Các nhà nghiên cứu đang liên tục phát triển các bộ quan sát và thuật toán ước lượng phức tạp hơn để khắc phục nhược điểm này.

5.2. Mô phỏng FOC cho động cơ PMSM BLDC với MATLAB Simulink

MATLAB Simulink là một công cụ không thể thiếu cho việc nghiên cứu và phát triển thuật toán FOC. Nó cung cấp một môi trường đồ họa trực quan để xây dựng mô hình chi tiết của hệ thống, bao gồm mô hình động cơ PMSM hoặc động cơ BLDC, bộ nghịch lưu, các cảm biến và toàn bộ cấu trúc điều khiển FOC. Kỹ sư có thể dễ dàng thực hiện mô phỏng FOC, kiểm tra đáp ứng của hệ thống dưới các điều kiện tải và tốc độ khác nhau, tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển PI, và so sánh hiệu quả của các thuật toán khác nhau. Việc mô phỏng giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn về độ ổn định và hiệu suất, cho phép tối ưu hóa thuật toán trước khi chuyển sang giai đoạn lập trình cho vi điều khiển, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí phát triển sản phẩm.

5.3. Triển khai thuật toán FOC trên vi điều khiển STM32

Dòng vi điều khiển STM32 của STMicroelectronics là một lựa chọn phổ biến để triển khai các hệ thống biến tần FOC trong thực tế. Các vi điều khiển này thường được trang bị phần cứng chuyên dụng để hỗ trợ các tác vụ điều khiển động cơ, chẳng hạn như bộ định thời (timer) nâng cao có khả năng tạo tín hiệu SVPWM và các bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) nhanh để đo lường dòng điện. Hãng ST cũng cung cấp các thư viện phần mềm (STM32 FOC SDK) và công cụ phát triển, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình thuật toán FOC. Việc triển khai trên một nền tảng phần cứng mạnh mẽ như STM32 cho phép thực thi các vòng lặp điều khiển FOC với tần số cao, đảm bảo đáp ứng động học nhanh và điều khiển mượt mà cho các loại động cơ 3 pha, từ động cơ không đồng bộ đến PMSM.

Trích đoạn nội dung tài liệu

NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ Giáo viên hướng dẫn: Ths.NGUYỄN ĐĂNG KHANG Nhóm sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC HÀ – LÊ ĐÌNH HÂN Lớp: ĐIỆN 1-K6 Khoa : CÔNG NGHỆ KĨ 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 VECTO TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC) NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 1 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. 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 tốt, 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. 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 khiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều.

Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Bản đồ án này nhóm em: Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC) Gồm các phần chính sau: 1. Xây dựng cơ sở lý thuyết biểu diễn véc tơ động cơ KĐB, Sơ đồ nguyên lý biến tần điều khiển véc tơ, thuật toán FOC 2.Mô phỏng bằng Matlap đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC 3.Đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và vị trí ứng dụng. 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! NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 2 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. SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I. VÀI NÉT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC I. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I.

XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC I. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA I.

PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO I. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO I. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH I.

QUAN SÁT TỪ THÔNG I. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC II. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC 2. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 2.

ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 3 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ III. ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC VÀ VỊ TRÍ ỨNG DỤNG 3. ƯU ĐIỂM CỦA FOC 3.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA FOC 3.3 VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CỦA FOC. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC 1.1 SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 4 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ 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 Nguyên lý hoạt động: Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay.

Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua.

Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 5 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < no ).

Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: (1-1) Từ đó ta có: ω = ωo(1 – s) (1-2) hay n = no(1 – s) (1-3) Với: (1-4) (1-5) NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 6 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: (1-6) Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha Phương trình đặc tính cơ: Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2 Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 7 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: (1-7) Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2 Đường đặc tính cơ: Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 8 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K.

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định.

Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 1.2 VÀI NÉT SƠ BỘ VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC. Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số fs, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được khép kín qua điện trở). Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ phía dây quấn stato, có tần số fr và là hàm của tốc độ góc rôto r.

So với động cơ NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 9 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành,làm việc tin cậy và chắc chắn.