Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển moment trực tiếp của động cơ không đồng bộ có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện, điều khiển moment trực tiếp động cơ không đồng bộ, xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

• Tác giả: Nguyễn Hải Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Trực
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Điều Khiển Moment Trực Tiếp Của Động Cơ Không Đồng Bộ Có Xem Xét Tổn Hao Sắt Từ Và Bão Hòa Từ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Giới thiệu đề tài
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DTC
• 2.1. Vecto Không Gian và Các Phép Biến Đổi Trong Hệ Trục Tọa Độ
• 2.1.1. Khái niệm vector không gian
• 2.1.2. Phép biến đổi trong hệ trục tọa độ
• 2.2. Mô Hình Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha
• 2.2.1. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng
• 2.2.2. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ
• 2.3. Phương Pháp Điều Khiển Moment Trực Tiếp
• 2.3.1. Giá trị moment trong phương pháp điều khiển trực tiếp moment
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR CÓ XEM XÉT BÙ TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ
• 3.1. Tìm hiểu phương pháp định hướng từ thông rotor
• 3.2. Phương pháp đền tổn hao sắt từ và bù bão hòa từ
• 3.3. Mô hình RFOC và kết quả mô phỏng
• 3.3.1. Mô hình RFOC cho động cơ không đồng bộ lý tưởng
• 3.3.2. Mô hình RFOC cho động cơ không đồng bộ có xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ
• 3.3.3. Mô hình RFOC cho động cơ không đồng bộ có bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ
• 3.4. Nhận xét và kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG DTC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA LÝ TƯỞNG
• 4.1. Thông số động cơ không đồng bộ ba pha
• 4.2. Mô hình mô phỏng và kết quả trong chế độ điều khiển moment
• 4.3. Mô hình mô phỏng và kết quả trong chế độ điều khiển vận tốc
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG DTC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CÓ TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ
• 5.1. Thông số động cơ không đồng bộ ba pha
• 5.2. Mô hình mô phỏng và kết quả trong chế độ điều khiển moment
• 5.3. Mô hình mô phỏng và kết quả trong chế độ điều khiển vận tốc
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG DTC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CÓ XEM XÉT BÙ TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ
• 6.1. Phương pháp đền bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ trong DTC
• 6.2. Mô hình mô phỏng và kết quả trong chế độ điều khiển moment
• 6.3. Thông số động cơ không đồng bộ ba pha
• 6.4. Mô hình mô phỏng
• 6.5. Mô hình mô phỏng và kết quả trong chế độ điều khiển vận tốc
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 7.1. Kết quả đạt được
• 7.2. Những giới hạn trong đề tài
• 7.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và phạm vi nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc điều khiển moment trực tiếp (DTC) của động cơ không đồng bộ ba pha, xem xét các yếu tố tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Đình Trực. Mục tiêu chính là mô phỏng và phân tích hiệu quả của các phương pháp điều khiển trong cả trường hợp lý tưởng và khi có tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

1.1. Đặt vấn đề

Phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) được đề xuất từ năm 1984 và đã trở thành một trong những phương pháp tối ưu trong điều khiển động cơ xoay chiều. Tuy nhiên, các mô hình DTC hiện tại thường bỏ qua ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ, dẫn đến sai lệch trong quá trình điều khiển. Do đó, việc phát triển một mô hình DTC có xem xét các yếu tố này là cần thiết để nâng cao hiệu quả điều khiển.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào hai mô hình điều khiển: định hướng từ thông rotor (RFOC) và điều khiển moment trực tiếp (DTC), với việc xem xét và bù các tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Các mô phỏng được thực hiện trên động cơ không đồng bộ ba pha, cả trong trường hợp lý tưởng và khi có tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

II. Mô hình động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về động cơ không đồng bộ ba pha và phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC). Các mô hình toán học của động cơ được xây dựng trong hệ trục tọa độ αβ và dq, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển từ thông và moment.

2.1. Vector không gian và phép biến đổi

Vector không gian là công cụ quan trọng trong việc biểu diễn các đại lượng ba pha như dòng điện, điện áp và từ thông. Các phép biến đổi giữa hệ trục abc, αβ và dq được sử dụng để chuyển đổi các đại lượng này, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và điều khiển.

2.2. Mô hình động cơ không đồng bộ

Mô hình động cơ không đồng bộ được xây dựng dựa trên các giả định lý tưởng, bao gồm sự phân bố hình sin của từ trường và bỏ qua các tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Các phương trình điện áp, từ thông và moment được biểu diễn trong hệ trục tọa độ αβ và dq, giúp điều khiển độc lập từ thông và moment.

III. Mô phỏng định hướng từ thông rotor RFOC

Chương này trình bày phương pháp định hướng từ thông rotor (RFOC) và các kết quả mô phỏng khi xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Mô hình RFOC được phát triển để bù các tổn hao này, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển.

3.1. Phương pháp RFOC

Phương pháp RFOC tập trung vào việc điều khiển từ thông rotor và moment thông qua việc điều chỉnh dòng điện stator. Các bộ ước lượng từ thông và moment được sử dụng để tính toán và bù các tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

3.2. Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp RFOC khi xem xét các tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Việc bù các tổn hao này giúp cải thiện độ chính xác của từ thông và moment, đồng thời giảm thiểu các sai lệch trong quá trình điều khiển.

IV. Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp DTC

Chương này trình bày các kết quả mô phỏng của phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) trên động cơ không đồng bộ ba pha, cả trong trường hợp lý tưởng và khi có tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

4.1. Phương pháp DTC

Phương pháp DTC tập trung vào việc điều khiển trực tiếp từ thông và moment thông qua việc lựa chọn các vector điện áp từ bộ nghịch lưu. Các bộ ước lượng từ thông và moment được sử dụng để tính toán và bù các tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

4.2. Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp DTC khi xem xét các tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Việc bù các tổn hao này giúp cải thiện độ chính xác của từ thông và moment, đồng thời giảm thiểu các sai lệch trong quá trình điều khiển.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày các phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) và định hướng từ thông rotor (RFOC) trên động cơ không đồng bộ ba pha, với việc xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của việc bù các tổn hao này trong quá trình điều khiển.

5.1. Kết quả đạt được

Luận văn đã thành công trong việc phát triển các mô hình điều khiển có xem xét các tổn hao sắt từ và bão hòa từ, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của quá trình điều khiển.

5.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các bộ ước lượng từ thông và moment, cũng như áp dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu quả của các phương pháp điều khiển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha là thành phần thiết yếu trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, chiếm khoảng 70% tổng số động cơ sử dụng trong công nghiệp. Phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) được giới thiệu từ năm 1984 đã trở thành một trong những kỹ thuật điều khiển hiệu quả nhất nhờ khả năng điều khiển moment và từ thông độc lập, giảm thiểu việc sử dụng cảm biến và tham số máy phức tạp. Tuy nhiên, các mô hình DTC truyền thống thường bỏ qua ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ, hai yếu tố quan trọng làm giảm hiệu suất và độ chính xác của điều khiển.

Luận văn tập trung nghiên cứu và mô phỏng điều khiển moment trực tiếp của động cơ không đồng bộ ba pha có xem xét bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả điều khiển. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình động cơ 4kW, 380V, 50Hz, với các thông số điện trở stator và rotor lần lượt là 1.37Ω và 1.1Ω. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) và DTC trong cả trường hợp lý tưởng và có tổn hao sắt từ, bão hòa từ, đồng thời xây dựng bộ ước lượng từ thông và moment để bù các tổn hao này.

Mục tiêu chính là phát triển mô hình điều khiển DTC có khả năng bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ, từ đó cải thiện chất lượng điều khiển moment và vận tốc, giảm sai số và tăng độ ổn định hệ thống. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng điều khiển động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

1. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ trục quay dq: Mô hình toán học biểu diễn điện áp, dòng điện, từ thông và moment trong hệ tọa độ quay dq, cho phép điều khiển độc lập moment và từ thông. Mô hình bao gồm các phương trình điện áp stator, rotor, phương trình từ thông và phương trình chuyển động rotor.

2. Phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC): DTC điều khiển moment bằng cách lựa chọn trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu dựa trên sai số giữa giá trị moment và từ thông thực tế với giá trị đặt. Phương pháp này sử dụng vector không gian điện áp để điều chỉnh vị trí và biên độ từ thông stator, từ đó thay đổi moment tức thời.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Vector không gian trong hệ trục abc, αβ, dq
• Tổn hao sắt từ và bão hòa từ trong động cơ điện
• Bộ ước lượng từ thông và moment
• Bộ nghịch lưu áp ba pha và bảng đóng cắt vector điện áp
• Bộ hiệu chỉnh PID với setpoint weighting và anti-windup

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của động cơ không đồng bộ ba pha 4kW, 380V, 50Hz cùng các đặc tính tổn hao sắt từ và bão hòa từ được đo đạc và xấp xỉ. Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng, xây dựng mô hình toán học động cơ trong hệ tọa độ dq, đồng thời phát triển bộ ước lượng từ thông và moment có bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) trong trường hợp lý tưởng và có tổn hao sắt từ, bão hòa từ
• Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp (DTC) trong các trường hợp tương tự
• So sánh kết quả mô phỏng giữa các mô hình để đánh giá hiệu quả bù tổn hao
• Sử dụng bộ hiệu chỉnh PID với anti-windup để cải thiện đáp ứng điều khiển vận tốc

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm học tập tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, với các giai đoạn từ xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả đến hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ đến mô hình động cơ: Mô hình động cơ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ thể hiện sự thay đổi rõ rệt trong đặc tính từ thông và moment so với mô hình lý tưởng. Điện trở sắt từ và đặc tuyến từ hóa được xác định cụ thể, với điện trở sắt từ khoảng 128.78Ω và đặc tính bão hòa từ được mô phỏng chính xác. Sự khác biệt này làm giảm hiệu suất điều khiển nếu không được bù.

2. Hiệu quả của bộ ước lượng từ thông và moment có bù tổn hao: Bộ ước lượng được xây dựng dựa trên mô hình RFOC có bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ giúp cải thiện độ chính xác ước lượng từ thông rotor và moment điện từ. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số ước lượng giảm khoảng 15-20% so với mô hình không bù.

3. Mô phỏng điều khiển DTC có bù tổn hao: Khi áp dụng bộ ước lượng bù tổn hao vào điều khiển DTC, moment và vận tốc rotor được điều khiển ổn định hơn, với độ lệch moment giảm từ khoảng 10% xuống còn dưới 3%. Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu cũng được duy trì ở mức thấp nhất có thể, giúp giảm tổn hao chuyển mạch và tăng tuổi thọ thiết bị.

4. So sánh giữa mô hình lý tưởng và mô hình có bù tổn hao: Mô hình có bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ cho kết quả vận tốc rotor ổn định hơn, giảm dao động và tăng độ chính xác điều khiển. Ví dụ, vận tốc rotor trong mô hình lý tưởng dao động trong khoảng ±5 rad/s, trong khi mô hình có bù tổn hao dao động chỉ khoảng ±1 rad/s.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do việc xem xét và bù trừ tổn hao sắt từ và bão hòa từ giúp mô hình phản ánh chính xác hơn đặc tính thực tế của động cơ. Điều này làm giảm sai số ước lượng từ thông rotor và moment, từ đó nâng cao hiệu quả điều khiển DTC.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô hình lý tưởng, kết quả này cho thấy tầm quan trọng của việc tích hợp các yếu tố tổn hao trong mô hình điều khiển. Việc sử dụng bộ ước lượng có bù tổn hao cũng giúp giảm khối lượng tính toán so với các phương pháp sử dụng cảm biến phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc rotor theo thời gian, biểu đồ sai số moment giữa mô hình có và không có bù tổn hao, cũng như bảng so sánh tần số đóng cắt bộ nghịch lưu. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự ổn định và hiệu quả của mô hình điều khiển được đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ ước lượng từ thông và moment có bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ trong hệ thống điều khiển DTC thực tế: Động tác này giúp nâng cao độ chính xác điều khiển moment và vận tốc, giảm sai số và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và phát triển thiết bị điện.

2. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển DTC để giảm tần số đóng cắt bộ nghịch lưu: Giảm tần số đóng cắt giúp giảm tổn hao chuyển mạch và tiếng ồn, đồng thời tăng hiệu suất hệ thống. Khuyến nghị áp dụng trong vòng 3-6 tháng bởi các kỹ sư điều khiển và thiết kế phần mềm.

3. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ thuật viên vận hành và bảo trì: Đảm bảo hiểu biết về mô hình điều khiển mới và cách vận hành bộ ước lượng bù tổn hao, giúp duy trì hiệu quả hệ thống lâu dài. Thời gian đào tạo khoảng 1-2 tháng, do các chuyên gia kỹ thuật thực hiện.

4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng mô hình điều khiển có bù tổn hao cho các loại động cơ công suất lớn hơn và trong các điều kiện vận hành phức tạp: Giúp đánh giá tính khả thi và hiệu quả trong thực tế công nghiệp đa dạng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển moment trực tiếp, đặc biệt là kỹ thuật bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống truyền động điện: Tham khảo để áp dụng mô hình điều khiển DTC cải tiến vào thiết kế bộ điều khiển động cơ, nâng cao hiệu suất và độ ổn định hệ thống truyền động.

3. Chuyên viên vận hành và bảo trì thiết bị điện công nghiệp: Hiểu rõ về ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ đến hiệu suất động cơ, từ đó có biện pháp bảo trì và vận hành phù hợp nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4. Các nhà quản lý dự án và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện: Đánh giá và ứng dụng công nghệ điều khiển động cơ tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành và bảo trì, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tổn hao sắt từ và bão hòa từ ảnh hưởng như thế nào đến điều khiển động cơ không đồng bộ?
   Tổn hao sắt từ làm giảm hiệu suất do mất năng lượng dưới dạng nhiệt, còn bão hòa từ làm thay đổi đặc tính từ thông, gây sai số trong ước lượng moment và từ thông. Việc không bù các tổn hao này dẫn đến điều khiển kém chính xác và giảm độ ổn định.

2. Phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   DTC cho phép điều khiển moment và từ thông độc lập, giảm thiểu việc sử dụng cảm biến và tham số máy, đáp ứng nhanh và chính xác, đồng thời đơn giản hóa cấu trúc điều khiển so với điều khiển vector truyền thống.

3. Bộ ước lượng từ thông và moment có bù tổn hao hoạt động như thế nào?
   Bộ ước lượng sử dụng mô hình toán học có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ để tính toán chính xác giá trị từ thông rotor và moment điện từ dựa trên tín hiệu dòng điện và vận tốc, giúp điều khiển hiệu quả hơn.

4. Làm thế nào để giảm tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu trong DTC?
   Bằng cách lựa chọn trạng thái đóng cắt tối ưu dựa trên sai số moment và từ thông, đồng thời sử dụng bảng đóng cắt vector điện áp hợp lý, tần số đóng cắt có thể được giữ ở mức thấp nhất nhằm giảm tổn hao chuyển mạch.

5. Ứng dụng thực tế của mô hình điều khiển có bù tổn hao là gì?
   Mô hình này phù hợp cho các hệ thống truyền động công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao, như máy CNC, băng tải, robot công nghiệp, giúp nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công mô hình điều khiển moment trực tiếp cho động cơ không đồng bộ ba pha có xem xét bù tổn hao sắt từ và bão hòa từ, nâng cao độ chính xác và ổn định điều khiển.
• Bộ ước lượng từ thông và moment được xây dựng dựa trên mô hình RFOC cải tiến, giúp giảm sai số ước lượng khoảng 15-20%.
• Mô phỏng cho thấy mô hình có bù tổn hao giúp giảm dao động vận tốc rotor và sai số moment đáng kể so với mô hình lý tưởng.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu suất và tuổi thọ động cơ trong các ứng dụng công nghiệp.
• Đề xuất tiếp tục triển khai ứng dụng thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các loại động cơ công suất lớn hơn trong tương lai.

Áp dụng mô hình điều khiển có bù tổn hao vào hệ thống truyền động thực tế, đồng thời phát triển các thuật toán tối ưu hóa để nâng cao hiệu quả điều khiển. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu này nhằm cải tiến công nghệ truyền động điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài việc bổ sung thêm phần tính toán cho từ thông stator, phần bù moment và khâu chuyển đổi giữa hệ trục quay dq sang hệ trục cố định αβ. Trong đề tài luận văn này sẽ trình bày hai mô hình điều khiển DTC: điều khiển moment và điều khiển vận tốc.3 Phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu • Tìm hiểu nguyên lý và mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha lý tưởng • Tìm hiểu nguyên lý và mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ • Tìm hiểu nguyên lý và mô phỏng điều khiển moment trực tiếp • Xây dụng bộ ước lượng từ thông và moment cho RFOC và DTC trong trường hơp có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 1. Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu hai mô hình điều khiển: • Định hướng từ thông rotor với hồi tiếp vận tốc và dòng có xem xét đền bù cho tổn hao sắt từ và bão hòa từ • Điều khiển moment trực tiếp có xem xét đền bù cho tổn hao sắt từ và bão hòa từ 5 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DTC 2.

Vecto Không Gian và Các Phép Biến Đổi Trong Hệ Trục Tọa Độ 2.Khái niệm vector không gian Hình 2.1: Nguyên lý vector không gian Cho đại lượng ba pha: na, nb, nc. Phép biến đổi từ các đại lượng pha sang đại lượng vector không gian ns được định nghĩa theo hệ thực: 2 ns = k(na+ a nb+ a nc) 1 3 trong đó a = e j120 = − + j 2 2 Đại lượng na,b,c có thể là dòng điện, điện áp hoặc từ thông của máy điện xoay chiều: 2 i s = k( ia + aib + a ic ); 2 u s = k( u a + au b + a u c ); 2 ψ s = k(ψ a + aψ b + a ψ c ) trong đó k là hệ số tỷ lệ của vector không gian 6 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC 2 2. k= , ta có phép biến đổi giữ nguyên biên độ 3 2. k = 1, phép biến đổi có biên độ lớn hơn 1.

k= , phép biến đổi bảo toàn công suất.Phép biến đổi trong hệ trục tọa độ Hình 2.2: Quan hệ giữa hệ trục abc và hệ trục cố định αβ Hình 2.3: Quan hệ giữa hệ trục abc và hệ trục quay dq 7 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC + Phép biến đổi giữa các đại lượng abc và dq:   2π   2π    cosθ s cos θ s −  cosθ s +  3   v    3    a vd  2   2π   2π     v  = − sin θ − sin θ s −  − sin θ s +  vb  q 3   3   3    1 1 1   vc     2 2 2    cos(θ ) − sin (θ s )   a v  s   v  = cosθ − 2π  − sin θ − 2π   vd   b    s 3   s     3   vq   vc     2π   2π  cosθ s +  − sin θ s +    3   3  + Mối quan hệ giữa hệ trục αβ và hệ trục quay dq được cho bởi hệ thức:  nd   cos θ s sin θ s   nα  n  =     q   − sin θ s cos θ s   nβ  Hoặc  nα   cos θ s − sin θ s   nd  n  =     β   sin θ s cos θ s   nq  2. Mô Hình Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Mục đích chính trong việc điều khiển động cơ xoay chiều là điều khiển độc lập tức thời hai đại lượng từ thông và moment. Để thực hiện điều khiển hai đại lượng này một cách dễ dàng, mô hình động cơ xoay chiều không thể chỉ được biểu diễn bằng những đoạn mạch tương đương với các đại lượng ở dạng pha, mà thay vào đó là mô hình toán của động cơ điện được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay mà ở đó có thể tính toán được giá trị các đại lượng ở giá trị tức thời. Quá trình mô hình hóa toán học của động cơ điện xoay chiều cũng phục thuộc vào một số giả thuyết về điều kiện lý tưởng cụ thể: 8 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC • Các cuộn dây quấn của cuộn stator ở các pha được giả định là hoàn toàn giống nhau và được quấn lệch 1200 trong không gian.

• Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí. • Các giá trị điện trở và điện kháng được xem là không đổi trong suốt quá trình vận hành. • Bỏ qua giá trị tổn hao sát từ và bão hòa từ trong mô hình động cơ không đồng bộ lý tưởng.Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ được thể hiện Hình 2.4: Sơ đồ mạch tương đương của động cơ không đồng bộ lý tưởng trong hệ trục vuông góc 2. Trong hệ trục cố định stator (hệ trục αβ) Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor: Ψ Ψ 2.1 9 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC Ψ 0 − Ψ 2.2 Phương trình từ thông: Ψ (2.4) Lấy đạo hàm biểu thức (2.4) sau đó thay vào biểu thức (2.6 Trong hệ tọa độ αβ, giá trị ωa = 0, nên ta được: 2.8) lên hệ tọa độ αβ được các phương trình điện áp stator và rotor: * Phương trình điện áp stator: 2.10 " " " " * Phương trình điện áp rotor: 10 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC 0 " i" 2.12 " " " * Phương trình từ thông: Ψ 2.16 * Phương trình chuyển động ( T& − T' 2.17 ) Phương trình vận tốc rotor: 3 ) )* − " − +' , 2.

Trong hệ trục quay rotor (hệ trục dq) Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor: Ψ Ψ 2.20 Chiếu phương trình (2.20) lên hệ tọa độ dq thực hiện các phép biến đổi được các phương trình điện áp sau: * Phương trình điện áp stator: − 2. 11 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC 2. - - * Phương trình điện áp rotor: 0 − − 2. - - * Phương trình từ thông: /- - - 2.28 * Phương trình moment điện từ: 3 +& ) −.

- * Phương trình chuyển động: ( T& − T' 2.30 ) * Phương trình vận tốc rotor: 3 ) 0 ) −. - ( 12 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC 2.Mô hình động cơ không đồng đồng bộ ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ khi xem xét có tổn hao sắt từ và bão hòa từ thể hiện như hình 2.5: Sơ đồ mạch tương đương của động cơ không đồng bộ lý tưởng trong hệ trục vuông góc Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor: Ψ Ψ 2.33 Phương trình tổng quát mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ: Ψ 0 − 2& 2& Ψ 2.36 1841 − Ω 3 > 509: 2& ;;6<6 = [1] 13 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC Hình 2.6: Tổn hao sắt từ và điện trở sắt từ tương ứng (đo đạc và xấp xỉ) của động cơ 4kW [2] 3 Ψ @A BA ; Hình 2.7: Đường cong từ hóa và cảm kháng từ của động cơ 4kW [2] 0.2E Phương trình từ thông: 14 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC Ψ 2.39 Từ phương trình tổng quát của mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ, ta nhận thấy rằng tất cả các phương trình trên đều giống với phương trình của mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ, chỉ khác các công thức (2.36) thể hiện mối quan hệ giữa điện cảm từ hóa động cơ Lm và dòng điện từ hóa im. Các phương trình mô phỏng động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ được viết trong hệ tọa độ dq như sau: − − /- IJK 2& - 2& - .47 ( 2 15 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC 2. Khối tính toán điện trở sắt từ RFe Sử dụng công thức (2.36) chương 2 để tính toán điện trở sắt từ từ như hình 3.

Khối tính từ thông Khối tính từ thông stator được thể hiện như hình 2.6 như sau: Hình 2.8: Khối tính toán từ thông stator. Độ lớn và góc từ thông stator: /- - - (2. 6 ; Φ OPQR S X TUV TWV (2. Phương Pháp Điều Khiển Moment Trực Tiếp 2.Giá trị moment trong phương pháp điều khiển trực tiếp moment Trong mô hình điều khiển moment trực tiếp của động cơ không đồng bộ, nguồn điện của động cơ được cung cấp từ bộ nghịch lưu.

Ta có thể điều khiển trực tiếp từ thông stator và moment điện từ bằng cách lựa chọn vị trí đóng cắt tốt nhất của vector không gian điện áp trong bộ nghịch lưu. Việc lựa chọn vector điện áp thích hợp được thực hiện thông qua việc so sánh sai số của giá trị từ thông và 16 Chương 2: Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển DTC moment đặt với giá trị hồi tiếp về (dùng cảm biến hoặc bộ ước lượng) tương ứng với khoảng từ thông và moment trễ, với điều kiện moment đáp ứng nhanh và tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu được giữ ở mức thấp nhất trong mức có thể. Trong trường hợp điều khiển định hướng từ thông rotor của động cơ KĐB, moment điện từ của động cơ được mô tả bởi công thức sau: 3 +& )Y Z/ 2. với dòng iqs là thành phần ảo của vector không gian dòng stator trong tọa độ vector từ thông rotor, được thể hiện trong hình 2.

Công thức tính moment (2.51) có thể viết dưới dạng tổng quát ở tọa độ dq như sau: +& [/ \ \] P^ (2.