Chương 1: Tổng quan Trình bày mong muốn tìm hiểu, xác định mục tiêu và đưa ra những yêu cầu cần đạt được. Việc đào sâu vào việc phân tích và xây dựng bộ nghịch lưu áp đa bậc, đồng thời đưa ra mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc để điều chỉnh và xử lý để hoạt động tốt hơn cho động cơ. Chương 2: Tổng quan về động cơ điện. Khái quát về "cấu tạo, nguyên lý hoạt động," các lỗi thường xảy ra và các biện pháp được ứng dụng để khắc phục.
Trọng tâm của chương là tìm hiểu các phương pháp khởi động động cơ, nhằm mục tiêu tạo nền tảng vững chắc về kiến thức cho các phần tiếp theo của luận văn. HVTH: Nguyễn Duy Lợi 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn Chương 3: Các giải pháp điều khiển động cơ 3 pha KĐB và khái quát về bộ nghich lưu Thực hiện các phân tích và nhìn nhận về cách điều khiển động cơ 3 pha trong hệ tọa độ dq. Bao gồm giới thiệu về động cơ 3 pha, điều khiển PID, các điều khiển mà mô hình mạch lọc thông thấp áp dụng, mô hình ước lượng tốc độ và công nghệ mạng nơron, điều khiển trượt,… Ngoài ra, chương cũng trình bày về cấu tạo và vận hàn của bộ nghịch lưu áp cầu 01 pha và bộ nghịch lưu áp nhiều bậc ghép tầng.
Chương 4: Phương pháp điều khiển và phân tích một số mô hình điều khiển động cơ 3 pha KĐB So sánh và xem xét các điều khiển vector (FOC) cho động cơ 3 pha KĐB. Nội dung bao gồm: mô hình điều khiển FOC khác nhau, mô hình điều khiển phân tích một số mô hình điều khiển. Thông qua đó, chúng ta sẽ đánh giá lợi ích và hạn chế của từng cách, cùng với việc chọn lựa biện pháp tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Chương 5: Mô phỏng hoạt động trên matlab simulink và thực nghiệm Đưa việc ứng dụng phần mềm MATLAB vào để thiết lập và chạy mô phỏng bộ điều khiển PID cho động cơ 3 pha KĐB.
Nội dung bao gồm: sơ nét về môi trường mà MATLAB làm việc, thiết lập mô hình động cơ và bộ điều khiển, và cuối cùng là xem xét kết quả chạy mô phỏng để nhìn nhận thấu đáo hiệu quả của hệ thống. Chương 6: Kết quả và hướng phát triển Phân tích và tổng kết các kết quả mà suốt quá trình tìm hiểu đã đạt được, qua đó đưa ra những xem xét và nhìn nhận về mô hình đã đề xuất. Ứng dụng trong việc hướng tới nghiên cứa các phương pháp điều khiển để nhằm đáp ứng mong muốn điều khiển động cơ ngày càng hiệu quả và hoạt động tốt hơn. HVTH: Nguyễn Duy Lợi 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Nhân Bổn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2. Tổng quan về động cơ KĐB 2. Cấu tạo - Các thành phần chính của động cơ điện KĐB gồm: stator và rotor, và các bộ phận khác như trục, bạc đạn, nắp động cơ. Phần stator là phần tĩnh của động cơ, chứa cuộn dây; Phần rotor là phần động.
- Phần stator là phần cố định, bao gồm bộ phận sau: + Vỏ stator: Là bộ khung bên ngoài của động cơ, thường làm bằng thép để hỗ trợ các phần khác và bảo vệ các cuộn dây bên trong. + Cuộn dây stator: Gồm ba cuộn dây được đặt trên ba khe của vỏ stator, cách nhau 1200. Khi "dòng điện xoay chiều 3 pha" được cấp vào các cuộn dây này, nó tạo ra một từ trường quay đồng bộ. Cuộn dây này có thể được cấu trúc thành 3 pha độc lập, giúp tạo ra từ trường quay cần thiết để vận hành động cơ.
+ Lõi stator: Là phần nằm bên trong vỏ stator, làm từ các lớp tôn thép dày, giúp giảm tổn thất từ và nâng cao hiệu quả từ trường. - Phần rotor: là phần quay của động cơ và có các thành phần chính sau: + Lõi rotor: Là bộ phận bên trong stator, làm từ các lớp tôn thép để giảm tổn thất từ và tăng hiệu quả truyền động. + Cuộn dây rotor: Có thể có hai dạng chính: • Rotor lồng sóc: Là dạng phổ biến nhất, cuộn dây của rotor được đúc thành các thanh dẫn song song, tạo thành cấu trúc lồng sóc. Dạng này đơn giản, bền và yêu cầu bảo trì thấp.
• Rotor dây quấn: Được trang bị các cuộn dây quấn quanh lõi rotor, có thể kết nối với các điện trở ngoài qua các vòng chổi. Rotor này cho phép điều chỉnh đặc tính của động cơ nhưng yêu cầu bảo trì nhiều hơn. + Vỏ rotor: Bọc bên ngoài lõi rotor và cuộn dây rotor. + Trục: Trục là phần nối giữa rotor và các cơ cấu khác của động cơ.
Trục quay khi rotor quay và truyền động cơ học đến các thiết bị bên ngoài. - Bạc đạn: Đặt ở hai đầu trục rotor, hỗ trợ và giúp trục quay êm ái, giảm ma sát và mài mòn. - Nắp động cơ: Bao bọc toàn bộ cấu trúc động cơ, có tác dụng bảo vệ và tránh hư hại cơ học. HVTH: Nguyễn Duy Lợi 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Nhân Bổn Hình 2.1: Rotor lồng sóc (nguồn internet) Hình 2.2: Rotor dây quấn (nguồn internet) Hình 2.3: Động cơ KĐB (nguồn internet) HVTH: Nguyễn Duy Lợi 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn 2. "Nguyên lý hoạt động" "Nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB" dựa vào sự kết hợp giữa từ trường sinh ra bởi stator và cực nam châm trên rotor, từ đó tạo ra một lực quay giúp động cơ vận hành. Khi nguồn điện xoay chiều được cấp vào stator, các cuộn dây được quấn quanh lõi sắt của stator sinh ra một từ trường xoay chiều.
Từ trường này tương tác với các cực nam châm trên rotor, dẫn đến chuyển động của chúng và sinh ra một lực quay làm rotor chuyển động. Rotor quay với tốc độ gần giống với tốc độ từ trường do stator sinh ra. Tuy nhiên, do có sự chậm trễ giữa từ trường của stator và các cực nam châm trên rotor và được gọi là động cơ KĐB. Sơ đồ động cơ 3 pha KĐB [1] Hình 2.4: Mạch tương đương động cơ 3 pha KĐB Phương trình về điện áp: ⃗⃗⃗⃗𝒔 𝒅𝜳 ⃗⃗𝒔 = 𝑹𝒔 ⃗⃗⃗ 𝒖 𝒊𝒔 + + 𝒋𝝎𝒔 ⃗𝜳 ⃗⃗⃗𝒓 (𝟐.
2) 𝒅𝒕 Phương trình cho từ thông: ⃗⃗⃗⃗𝒔 = ⃗⃗⃗𝑳 𝜳 𝒊𝒔 𝒔 + ⃗⃗⃗⃗𝑳 𝒊𝒓 𝒎 (𝟐. 4) HVTH: Nguyễn Duy Lợi 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn 2. Hệ quy chiếu quay dq Để đơn giản hóa việc tính toán và mô phỏng động cơ 3 pha KĐB, chúng ta thường chuyển từ hệ tọa độ 3 pha (a-b-c) sang hệ tọa độ quay dq.
Quá trình này giúp biến đổi các phương trình động cơ phức tạp thành các phương trình dễ xử lý hơn.5: Sơ đồ biến đổi theo trục q Hình 2.6: Sơ đồ biến đổi theo trục d Các phương trình sau: [1] Từ sơ đồ trên ta suy ra được điện áp stator: 𝒅𝜳𝒔𝒒 𝒖𝒔𝒒 = 𝑹𝒔 𝒊𝒔𝒒 + + 𝝎𝒔 𝜳𝒔𝒅 (𝟐. 6) 𝒅𝒕 Phương trình điện áp rotor: ′ 𝒅𝜳𝒓𝒒 ′ ′ ′ 𝒖𝒓𝒒 = 𝑹𝒓 𝒊𝒓𝒒 + − (𝝎𝒔 − 𝝎𝒓 )𝜳𝒓𝒅 ′ (𝟐. 8) 𝒅𝒕 Phương trình các đại lượng cơ: HVTH: Nguyễn Duy Lợi 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn 𝟑 𝑻𝒆 = 𝒑(𝜳𝒔𝒅 𝒊𝒔𝒒 − 𝜳𝒔𝒒 𝒊𝒔𝒅 ) (𝟐.
11) 𝒅𝒕 Phương trình các đại lượng dòng điện trên trục dq 𝐿𝑟 𝑑𝜓𝑟𝑑 𝜓𝑟𝑑 Isd = = + (2.7: "Biểu diễn vector không gian 𝒊⃗s trên hệ tọa độ.4 Khái quát về động cơ 3 pha trên hệ tọa độ d-q Phương trình thể hiện động cơ 3 pha trong hệ tọa độ d-q khi bỏ qua các giá trị bậc cao vô cùng bé tương đương như sau: 𝑑∆𝑖𝑠𝑑 1 1 − 𝜎 ∆Ψ𝑟𝑑 1 = − ∆𝑖𝑠𝑑 + ∆𝜔𝑠 𝑖𝑠𝑞𝑙𝑣 + 𝜔𝑠𝑙𝑣 ∆𝑖𝑠𝑞 + + ∆𝑈 𝑑𝑡 𝑇𝜎 𝜎𝑇𝑟 𝐿𝑚 𝜎𝐿𝑠 𝑠𝑑 𝑑∆𝑖𝑠𝑞 1 1−𝜎 ∆Ψ𝑟𝑑𝑙𝑣 1 − 𝜎 ∆Ψ𝑟𝑑 1 = −∆𝜔𝑠 𝑖𝑠𝑑𝑙𝑣 − 𝜔𝑠𝑙𝑣 ∆𝑖𝑠𝑑 − ∆𝑖𝑠𝑞 − ∆𝜔 − 𝜔𝑙𝑣 + ∆𝑈 𝑑𝑡 𝑇𝜎 𝜎 𝐿𝑚 𝜎 𝐿𝑚 𝜎𝐿𝑠 𝑠𝑞 (2.15) 2 𝐿𝑟 HVTH: Nguyễn Duy Lợi 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn Hình 2.8: Mô hình động cơ 3 pha trên hệ d-q 2. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ Để có thể tính được dòng điện stator và từ thông rotor ta có hệ phương trình: ⃗⃗⃗⃗𝒔 𝒅𝜳 ⃗⃗𝒔 = 𝑹𝒔 ⃗⃗⃗ 𝒖 𝒊𝒔 + ⃗⃗⃗⃗𝒓 + 𝒋𝝎𝒔 𝜳 (𝟐. 𝟏𝟗) Từ các công thức trên ta có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator 𝟏 ⃗⃗⃗⃗ 𝒊𝒓 = ⃗⃗⃗⃗𝒓 − 𝑳𝒎 ⃗⃗⃗) (𝜳 𝒊𝒔 (𝟐.
𝟐𝟏) 𝑳𝒓 𝑳𝒓 𝑳𝒔 𝑳𝒓 𝑳 𝟐 Thay vào phương trình với: 𝑻𝒔 = , 𝑻𝒓 = ,𝝈 = 𝟏 − 𝒎 ta được: 𝑹𝒔 𝑹𝒓 𝑳𝒓 𝑳𝒔 𝒅𝒊⃗𝒔 𝟏 𝟏−𝝈 𝟏−𝝈 𝟏 𝟏 = −( + ) 𝒊⃗𝒔 − 𝒋𝝎𝒔 𝒊⃗𝒔 + ⃗⃗⃗⃗𝒓 + ( − 𝒋𝝎) 𝜳 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝒖 (𝟐. 𝟐𝟑) 𝒅𝒕 𝑻𝒓 𝑻𝒓 HVTH: Nguyễn Duy Lợi 9 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn Ta thực hiện chuyển phương trình (2.19) thành 2 thành phần trục dq: 𝒅𝒊𝒔𝒅 𝟏 𝟏−𝝈 𝟏−𝝈 𝟏 𝟏 = −( + ) 𝒊𝒔𝒅 − 𝒋𝝎𝒔 𝒊𝒔𝒅 + ( − 𝒋𝝎) 𝜳𝒓𝒅 + 𝒖 (𝟐. 𝟐𝟕) 𝒅𝒕 𝑻𝒓 𝑻𝒓 Ta có trên hệ tọa độ dq 𝛹𝑟𝑞 = 0, từ đó suy ra: ⃗⃗⃗⃗𝒓 = 𝜳𝒓𝒅 𝜳 (𝟐.
𝟐𝟖) Ta có phương trình momen 𝑇𝑒 : 3 𝑇𝑒 = ⃗⃗⃗⃗⃗⃗𝑠 × 𝑖⃗𝑠 ) 𝑝(𝛹 (2.29) 2 Thay phương trình ta được: 𝟑 𝑳𝒎 𝟑 𝑳 𝑻𝒆 = 𝒑( 𝜳 ⃗⃗⃗⃗𝒓 × 𝒊⃗𝒔 ) = 𝒑 𝒎 (𝜳𝒓𝒅 𝒊𝒔𝒒 − 𝜳𝒓𝒒 𝒊𝒔𝒅 ) (𝟐. 𝟑𝟎) 𝟐 𝑳𝒓 𝟐 𝑳𝒓 Do 𝛹𝑟𝑞 = 0 nên suy ra: 𝟑 𝑳𝒎 𝑻𝒆 = 𝒑 𝜳 𝒊 (𝟐. 𝟑𝟏) 𝟐 𝑳𝒓 𝒓𝒅 𝒔𝒒 Từ trên ta có thể "điều khiển từ thông và momen của động cơ" một cách độc lập theo giá trị dòng điện trong hệ tọa độ dq. Bộ biến đổi dòng điện và điện áp từ tọa độ dq sang tọa độ abc và ngược lại được thực hiện theo công thức sau: 𝟐𝝅 𝟐𝝅 𝒄𝒐𝒔 𝝎 𝒕 𝒄𝒐𝒔( 𝝎𝒕 − ) 𝒄𝒐𝒔( 𝝎𝒕 + ) 𝒖𝒔𝒅 𝟑 𝟑 𝒖𝒂 𝟐 𝟐𝝅 𝟐𝝅 [𝒖𝒔𝒒 ] = − 𝒔𝒊𝒏 𝝎 𝒕 − 𝒔𝒊𝒏( 𝝎𝒕 − ) − 𝒔𝒊𝒏( 𝝎𝒕 + ) [ 𝒖𝒃 ] (𝟐.
𝟑𝟑) 𝟐 𝟐𝝅 𝟐𝝅 𝒖𝒔𝒒 = − (𝒖𝒂 𝒔𝒊𝒏 𝝎 𝒕 + 𝒖𝒃 𝒔𝒊𝒏( 𝝎𝒕 − ) + 𝒖𝒄 𝒔𝒊𝒏( 𝝎𝒕 + )) 𝟑 𝟑 𝟑 HVTH: Nguyễn Duy Lợi 10 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Nhân Bổn 𝟐𝝅 𝟐𝝅 𝒄𝒐𝒔 𝝎 𝒕 𝒄𝒐𝒔( 𝝎𝒕 −) 𝒄𝒐𝒔( 𝝎𝒕 + ) 𝒊𝒔𝒅 𝟑 𝟑 𝒊𝒂 𝟐 𝟐𝝅 𝟐𝝅 [𝒊𝒔𝒒 ] = − 𝒔𝒊𝒏 𝝎 𝒕 − 𝒔𝒊𝒏( 𝝎𝒕 − ) − 𝒔𝒊𝒏( 𝝎𝒕 + ) [𝒊𝒃 ] (𝟐.