Giáo trình Điều khiển truyền động điện

lực biến tần nguồn áp * Đơn giản hóa ta có sơ đồ sau: ~ D1 D4 D5 D6 a b cT Đ phía lƣới Ud Za Zb Zc T1 T4 T3 T6 T2 D2 T5D3 Hình 6.2.5. Sơ đồ nghịch lưu độc lập 144 ` T1 T2 T3 T4 T5 T6 Ua 0 2 3 dU U1a 0 Uab Ud ` 0 Ub 0 Uc 1 2 3 4 5 6 1 2           Hình 6.2.6. Luật điều khiển và điện áp trên tải Giả thiết: điện áp một chiều trung gian Ud đã là phẳng lý tƣởng * Xét trong khoảng 60 120  o o các van 1,6,2 dẫn ( // ) à    a b c a b cZ nt Z Z m Z Z Z Z , ta có: Chọn 1  aV U , chiếu l n phƣơng 0a 1 2 3  a dU V U phƣơng 0b 1 3  b dU U phƣơng 0c 1 3  c dU U vector chuyển mạch V1 ứng với tổ hợp van 1,6,2 dẫn 145 Zb Zc Za Ud Z Z/2 2 3 a dU U 1 3 b c dU U U   aU V1 a b c bU cU 0 Hình 6.2.7. Sơ đồ tương đương phần nghịch lưu trong khoảng 60 120  o o khoáSa = 1 tƣơng ứng van 1 dẫn 0 tƣơng ứng van 4 dẫn khoá Sb = 1 tƣơng ứng van 3 dẫn 0 tƣơng ứng van 6 dẫn khoá Sc = 1 tƣơng ứng van 5 dẫn 0 tƣơng ứng van 2 dẫn mà vector V1 ứng với tổ hợp van 1,6,2 dẫn →Sa =1;Sb = 0;Sc = 0 kí hiệu vector điện áp V1 = (1 0 0) Khi đó vector V1 tƣơng ứng trạng thái pha a nối với cực dƣơng, pha b nối với cực âm, pha c nối cực âm của nguồn một chiều. * Xét trong khoảng 120 180  o o các van 1,3,2 dẫn Theo hình (6.2.5) 2 ; 0 3 3       da b c d ab U U U U U U vector V2 ứng với van 1,3,2 dẫn kí hiệu V2 = (1 1 0) * Xét trong khoảng 180 240  o o các van 4,2,3 dẫn Theo hình (6.2.5) 2 1 ; 3 3        db a c d ab d U U U U U U U vector V3 ứng với van 4,3,2 dẫn kí hiệu V3 = (0 1 0) * Xét trong khoảng 240 300  o o các van 3,5,4 dẫn 146 Theo hình (6.2.5) 2 ; 3 3        dc b a d ab d U U U U U U U vector V4 ứng với van 4,3,5 dẫn kí hiệu V4 = (0 1 1) * Xét trong khoảng 300 360  o o các van 4,6,5 dẫn Theo hình (6.2.5) 2 1 ; 3 3        dc a b d ab d U U U U U U U vector V5 ứng với van 4,6,5 dẫn kí hiệu V5 = (0 0 1) * Xét trong khoảng 0 60o o   các van 1,5,6 dẫn ( // ) à ,   c a c a b cZ nt Z Z m Z Z Z Z 1 2 ; ; 3 3 a c d b d ab a b dU U U U U U U U U         vector V6 ứng với van 1,5,6 dẫn kí hiệu V6 = (1 0 1) c) Bảng chọn vector điện áp khi điều chỉnh trực tiếp mômen Hình6.2.8. Thay đổi vị trí vector từ thông stator s Có thể điều khiển riêng biệt bi n độ từ thông stator s và mômen điện từ M bằng cách tác động vào các thành phần hƣớng kính và thành phần tiếp tuyến của vector từ thông móc vòng stator trong quỹ đạo của nó. Hình 6.2.8 là quỹ đạo chuyển động của vector từ thông stator và các phƣơng án khác nhau tuỳ thuộc vào chuyển mạch của nghịch lƣu áp. Quỹ đạo tròn này đƣợc chia thành sáu mảng khác nhau, ranh giới là các đƣờng nét đứt, với đƣờng phân giác là các vector không gian điện áp tƣơng ứng. Có thể thấy ngay rằng các vector hƣớng kính không đƣợc chọn cho mômen: + Vector V1 và V4 trongS1, S4 + Vector V2 và V5 trongS2, S5 + Vector V3 và V6 trongS3, S6 147 Bảng 6.2.3.Bảng chọn vector điện áp khi điều chỉnh trực tiếp mômen ψ M S1 S2 S3 S4 S5 S6 FI TI V2 V3 V4 V5 V6 V1 T= V7 V0 V7 V0 V7 V0 TD V6 V1 V2 V3 V4 V5 FD TI V3 V4 V5 V6 V1 V2 T= V0 V7 V0 V7 V0 V7 TD V5 V6 V1 V2 V3 V4 trong đó:FD – từ thông giảm ; FI - từ thông tăng TI – mômen tăng; T=– mômen giữ nguyên; TD – mômen giảm * Để làm r việc thiết lập bảng chọn vector điện áp tr n, ta có thể phân tích trên đồ thịvector biểu diễn tr n hình dƣới đ y trong vùngS1   1S   đ s 2 6 1V 2V3V 4V 5V 6V Hình 6.2.9. Thay đổi vị trí vector S ở S1 khi từ thông ở trạng thái FI * Trƣờng hợp từ thông ở trạng tháiFI tức là từ thông cần tăng. Ta có ba lựa chọn vector ứng với ba trạng thái của mômen M . + Khi M ở trạng thái TI tức là mômen cần tăng l n,ta cần đẩy tiến vector S  do vậy cần phải sử dụng vectorV2(110). + Khi M ở trạng thái TDtức là mômen cần giảm xuống, ta cần đẩy lùi vector  S . Ta sử dụng vectorV6(101). + Khi M ở trạng thái T=tức là mômen không đổi ta dùng vectorV7(111) 148 Ch ý: ta sử dụng vector V7 (111) mà không dùng vector V0 (000) là khi thay đổi giữa hai trạng thái kế tiếp của mômen M thì chỉ đƣợc phép thay đổi trạng thái của một van bán dẫn. đ    1S s 3 5 1V 2V3V 4V 5V 6V Hình 6.2.9.Thay đổi vị trí vector  S ở S1 khi từ thông ở trạng thái FD * Trƣờng hợp từ thông ở trạng tháiFD tức là từ thông cần giảm. Ta có ba lựa chọn vector ứng với ba trạng thái mômenM . + Khi M ở trạng thái TI tức là mômen có xu hƣớng tăng l n ta chọnV3(010). + Khi M ở trạng thái TDtức là mômen có xu hƣớng giảm ta chọnV5(001). + Khi M ở trạng thái T= tức là mômen không đổi ta dùng vectorV0(000). Bảng 6.2.3. Bảng chọn chung cho mảnh quỹ đạo thứ “k” Chọn vector điện áp Tăng Giảm Từ thông stato Vk, Vk + 1, Vk + 1 Vk +2, Vk – 2, Vk + 3 Mômen Vk + 1, Vk +2 Vk - 1, Vk – 2 149  Hysteresis Flux band 100 110010 011 101001 s s Dải trễ từ thông (V1) (V2)(V3) (V4) (V5) (V6) Hình 6.2.10. Đồ thị điều chỉnh từ thông 6.2.2. Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen Để xây dựng cấu tr c điều khiển ta cần ƣớc lƣợng vector S , ƣớc lƣợng MT . Các đại lƣợng này đƣợc tính toán qua các đại lƣợng Udc, ia, ib và trạng thái Sa, Sb, Sc đƣợc tính toán trên toạ độ ,  .Cấu tr c điều khiển đƣợc trình bày trên hình sau: Mđ đ s iến tần TÝnh 3 2 ®é & gãc quay tõ th«ng Ƣớc lƣợng m«men U dc gãc stato Sx M s ,u u  - - si  si  - d FT M eM Ƣớc lƣợng bi n Sa,Sb,Sc ĐC R B¶ng chän vÐct¬ ®iÖn ¸p Hình 6.2.11. Sơ đồ cấu trúc điều chỉnh trực tiếp mômen 150 Đ y là sơ đồ đơn giản nhất của điều khiển trực tiếp mômen. Sơ đồ này bao gồm các bộ phận chính: + Bộ điều chỉnh từ thông stator của động cơ + Bộ điều chỉnh trực tiếp mômen của động cơ + Bảng chọn vector điện áp + Bộ điều chỉnh tốc độ của động cơ + Bộ ƣớc lƣợng từ thông stator trên hệ tọa độ  + Bộ ƣớc lƣợng mômen trên hệ tọa độ  a) Bộ điều chỉnh từ thông stator _ 1 0  trạng thái đ s   e e Hình 6.2.13. Bộ điều chỉnh từ thông stator 0 + /2 - /2 /2 - /2 Từ thông 0 1 t t t đ s  đ s  đ s  Sai số từ thông Trạng thái sai số từ thông 0 -1 s  e Hình 6.2.13. Các đường đặc tính của từ thông stator Giá trị đặt của bi n độ từ thông stator đƣợc so sánh với các giá trị thực của nó. Giá trị sai lệch từ thông stator đƣợc đƣa vào khối trạng thái có trễ hai mức. Đầu ra của khối trạng thái trễ lấy các trạng thái gián đoạn đƣợc đƣa cùng với vị trí của các vector 151 từ thông stator vào một bảng tra. Sai số của module từ thông stator nằm trong dải trễ tƣơng ứng, độ rộng của dải này quyết định độ chính xác điều khiển. b) Bộ điều chỉnh trực tiếp mômen -1 M _ 1 0 M đ M eM trạng thái eM Hình 6.2.14. Bộ điều chỉnh trực tiếp mômen M/2 M/2 M Sai lệch mômen eM Tốc độ Mômen đặtM đ M Trạng thái sai lệch mômen Hình 6.2.15. Các đường đặc tính của mômen Giá trị đặt của mômenđƣợc so sánh với các giá trị thực của nó. Giá trị sai lệch mômenđƣợc đƣa vào khối trạng thái có trễ ba mức. Đầu ra của khối trạng thái trễ lấy 152 các trạng thái gián đoạn đƣợc đƣa cùng với vị trí của các vector từ thông stator và trạng thái sai lệch từ thông stator vào một bảng tra. Sai số của momen nằm trong dải trễ tƣơng ứng, độ rộng của dải này quyết định độ chính xác điều khiển. Có thể chứng minh đƣợc rằng độ rộng dải trễ từ thông ảnh hƣởng chủ yếu đến độ méo sóng hài bậc thấp của dòng điện stator, còn độ rộng dải trễ mômen ảnh hƣởng đến tần số chuyển mạch của biến tần. Tức là tăng giảm dải trễ mômen thì sẽ tăng giảm tần số đóng cắt của biến tần. c) Bảng chọn vector điện áp Thực hiện bảng 6.2.2 - Bảngchọn vector khi điều chỉnh trực tiếp mômen – DTC. Có rất nhiều phƣơng pháp thực hiện bảng chọn vector bằng cách lập trình cho các chip vi xử lý, vi điều khiển. Trong phạm vi bài học này, tôi sẽ giới thiệu cách thực hiện bảng chọn vector điện áp trên matlab – simulink. Hình 6.2.16. Bảng chọn vector Trạng thái gián đoạn của từ thông và momen đƣợc đƣa vào một lookup table 3D. Lookup Table 3D sẽ chọn ra vector điện áp tƣơng ứng. Sau đó các tín hiệu này chuyển qua khối lookup table 2D đƣa ra các thành phần của vector điện áp đó. * Khối direct lookup3-D đƣợc nạp bảng look_up_table. Bảng look_up_table có dạng nhƣ hình 6.2.17. Bảng look_up_table có các đầu vào nhƣ sau: + Đầu vào thứ nhất (1) hay dF (tƣơng ứng vi phân từ thông stator) + Đầu vào thứ hai (2) hay dT M (tƣơng ứng vi phân mômen) + Đầu vào thứ ba (3) hay sector 153 Hình 6.2.17. Mô tả bảng look_up_table Ví dụ nếu (1) = 1 tƣơng ứng dF = giá trị đặt > 0.02 (2) = 2 (3) = 0 ⟹ thay đổi từ thông stator bằng vector Nội dung của bảng look_up_table: look_up_table(2,3,:) = [2, 3, 4, 5, 6, 1]; look_up_table(2,2,:) = [0, 7, 0, 7, 0, 7]; look_up_table(2,1,:) = [6, 1, 2, 3, 4, 5]; look_up_table(1,3,:) = [3, 4, 5, 6, 1, 2]; look_up_table(1,2,:) = [7, 0, 7, 0, 7, 0]; look_up_table(1,1,:) = [5, 6, 1, 2, 3, 4]; Khối direct lookup 2-D : 154 Hình 6.2.18. Khối direct lookup 2D đầu vào = 0 ⟹ đầu ra = 000 tƣơng ứng 1 ⟹ đầu ra = 100 tƣơng ứng 2 ⟹ đầu ra = 110 tƣơng ứng 3 ⟹ đầu ra = 010 tƣơng ứng 4 ⟹ đầu ra = 011 tƣơng ứng 5 ⟹ đầu ra = 001 tƣơng ứng 6 ⟹ đầu ra = 101 tƣơng ứng 7 ⟹ đầu ra = 111 tƣơng ứng Nội dung của bảng V0 = [0; 0; 0]; V1 = [1; 0; 0]; V2 = [1; 1; 0]; V3 = [0; 1; 0]; V4 = [0; 1; 1]; V5 = [0; 0; 1]; V6 = [1; 0; 1]; V7 = [1; 1; 1]; valve_state = [V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7]; 155 d) Bộ ƣớc lƣợng mômen Bộ ƣớc lƣợng mômen đƣợc thiết lập dựa vào biểu thức mômen điện từ             3 3 ( ' ' ) ( ) 2 2 c c M r s r s s s s s p p M L i i i i i i (6.2.6) e) Bộ ƣớc lƣợng từ thông Bộ ƣớc lƣợng từ thông đƣợc thiết lập dựa vào phƣơng trình điện áp stator    ss s s d u R i dt (6.2.7)    s s s sR i u (6.2.8) 6.2.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng A. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Phƣơng trình chuyển động    'C J d M M dtp (6.2.9) Chuyển sang miền ảnh laplace, ta có                 ' 'C C J p M p M p p M p M p Jpp (6.2.10) Hình 6.2.19. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ. Bằng cách chọn vector điện áp thích hợp, bộ DTC – nhƣ một khâu Deadbeat – tác động rất nhanh, do đó, khi tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ, ta có thể coi khâu DTC là một khâu quán tính bậc nhất với hằng số thời gian Tm. Mô phỏng bộ DTC với tín hiệu đặt dạng bậc thang ở chế độ không tải, ta thấy, mômen đáp ứng ngay chỉ sau khoảng 1-2ms tùy thuộc tốc độ đặt. Mặc dù khi tổng hợp bộ điều chỉnh, ta phải tìm cách bù ảnh hƣởng của Tm, tuy nhiên nếu Tmquá nhỏ thì dù động học rất nhanh nhƣng 156 sẽ g y ra quá điều chỉnh lớn đối với momen, vậy cho Tm= 2ms để có một đáp ứng vừa phải chấp nhận đƣợc. Do đó, ta có hàm truyền xấp xỉ của khâu DTC:     ® 1 1 ( ) 1 1 0,002 DTC m M G p M pT p (6.2.11) Hàm truyền đạt của máy phát tốc    1 K pT (6.2.12) Xét tƣờng hợp momen tải MC = 0 Hàm truyền đạt đối tƣợng             '' 1 1 1 o DTC m K p Kp S G Jp pT Jp pT pT (6.2.13) Áp dụng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng           2 2 3 3 1 4 ( ) (1- ) 1 4 8 8 ch ch o ch F pT R p víi F S F pT p T p T (6.2.14)                             2 ' 2 2 ' 2 2 (1 4 ) 1(1 4 ) 1 1 8 (1 ) 8 (1 ) m mm pT Jp p T T p T TpT Jp pT pT R p K p T pT p K p T pT Do  ,mT T nhỏ, loại bỏ đại lƣợng vô cùng bé bậc cao  2 mp T T ,ta có              ' 2 2 (1 4 ) 1 8 (1 ) mpT Jp p T T R p K p T pT (6.2.15)    mchän T T T (6.2.16)             2' 1 4 8 m m p T TJ R pp K T T (6.2.17) Bộ điều khiển tốc độ có dạng khâu PI 6.2.4. Ví dụ 1(Ví dụ minh họa) Cho hệ thống truyền động có động cơ 3 pha rotor lồng sóc với các thông số nhƣ sau Công suất Pđm = 4 kW Tần số f = 50 Hz Mômen định mức M = 10 (Nm) Số đôi cực ' 2p  I dmax 157 Cấp điện áp lƣới 400 V Điện trở stator   S 1,405 R Điện trở rotor  ' 1,395 r R Momen quán tính J = 0,005 kgm 2 Tốc độ định mức nđm = 1430 (vòng/phút) Với phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen, tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng? a) Lời giải Bƣớc 1. Xác định lƣợng từ thông xác lập, khi chƣa bị suy giảm Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc trong trƣờng hợp đóng trực tiếp vào lƣới điện. Ta thực hiện lần lƣợt các bƣớc: ƣớc 1: Lập các giá trị ban đầu và khai báo tham số ĐCKĐ bằng cách gọi: >>Parameters_Inital ƣớc 2: Khởi động mô phỏng mô hình DCKDB.mdl ƣớc 3: Xem các đáp ứng trong các scope hoặc dùng lệnh>>PLOT Hình 6.2.20. Mô hình DCKDB.mdl 158 Hình 6.2.21. Đáp ứng tốc độ, mômen, từ thông stator khi cấp nguồn 3 pha trực tiếp Nhận xét Quá trình khởi động ban đầu không tải và đóng tải tải sau 0.5 s.Tải chỉ đƣợc đóng sau khi bi n độ của từ thông rotor đã đạt tới giá trị danh định (giá trị định mức). Sau 0,5 giây tải đƣợc đóng vào, tốc độ bị sụt giảm và không trở lại giá trị tốc độ xác lập ban đầu. Từ đáp ứng từ thông stator, ta thấy lƣợng từ thông khi chƣa bị suy giảm = 0,9295 (Wb). Bƣớc 3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ theo phƣơng pháp tối ƣu đối xứng Bằng cách chọn vector điện áp thích hợp, đáp ứng mômen của động cơ rất nhanh, thời gian trễ nhỏ , khả năng động học cao, do đó ta coi kh u DTC là một khâu quán tính:     ® 1 1 ( ) 1 1 0,002 DTC m M G p M pT p Chọn máy phát tốc có tín hiệu đầu ra     0 10 10U V U V 159 Hàm truyền đạt của máy phát tốc =  1 K pT với:         ®m ®m 30 0,0668 U U K n ;chọn   0,00075T (s) Áp dụng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng               2' 1 4 8 m I P m p T T KJ R K p pp K T T Trong đó:              ' 2' 2,6741; 95,5033 2 8 P I m m J J K K p K T T p K T T b) Mô phỏng Ta thực hiện lần lƣợt các bƣớc: ƣớc 1: Lập các giá trị ban đầu và khai báo tham số ĐCKĐ bằng cách gọi: >>Parameters_Inital ƣớc 2: Khởi động mô phỏng mô hình DTC_TUDX.mdl ƣớc 3: Xem các đáp ứng trong các scope hoặc dùng lệnh >>PLOT 160 Hình 6.2.23. Mô hình điều chỉnh trực tiếp mômen 161 Hàm truyền hệ kín              2 2 3 3 1 4 ; 1 4 8 8 k m pT F T T T pT p T p T . Để giảm bớt độ quá điều chỉnh, ta mắc thêm một khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền    1 1 4 mp T T ở ngay sau tín hiệu đặt để làm suy giảm tốc độ biến thiên của nó. Với tốc độ đặt = nđm = 1430 (vòng/ph t) , đáp ứng với tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng nhƣ sau: Hình 6.2.23. Đáp ứng tốc độ, mômen, từ thông stator của ĐCKĐB với tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 162 Hình 6.2.24. Đáp ứng dòng điện rotor và dòng điện stator của ĐCKĐB với tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Hình 6.2.25. Quỹ đạo vector từ thông statorvới tiêu chuẩn tối ưu đối xứng * Nhận xét: + Trong phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen, khi có bộ điều chỉnh tốc độ dạng PI , tốc độ bám theo giá trị tốc độ đặt, mômen tác động tƣơng đối nhanh. + Tại thời điểm t = 0,5 (s) khi có tải, tốc độ của động cơ bị sụt giảm nhƣng sau đó tăng dần và tiếp tục bám theo giá trị tốc độ đặt. 163 + Độ quá điều chỉnh của tốc độ     ref ref 1695-1430 = 18,53% 43% 1430 n n n thỏa mãn tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng, nhƣng vẫn tƣơng đối lớn, thời gian quá độ khoảng 0,238 (s). Do đó , ta cần tìm một tiêu chuẩn có đáp ứng tốt hơn. 6.2.5. Ví dụ 2 (thảo luận) Với bộ điều chình tốc độ dạng tỷ lệ tích phân PI, hệ thống trên có khả năng khử đƣợc sai lệch do nhiễu tải hay không ? Xét trƣờng hợp ≠ và = : Hình 6.2.26. Mạch vòngđiều chỉnh tốc độ( đ = )                 ' ' 2' ( ) 1 4- 1 1- 1 18 mC m m p p Jp p T T KM p J Jp pT p pTp K T T                                    2' 2 1 8 1( ) - 1 8 1 1 4 m m C m m m p pT K T T pT pp M Jp pT K T T pT p JK p T T (6.2.18)            0 ( ) 0 lim 0 0 0p C p e M JK (6.2.19) ⟹ không cần bù nhiễu ⟹ không cần khâu bù ⟹ hệ thống có khả năng khử đƣợc sai lệch do nhiễu tải. 164 6.3. Phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (T4R) 6.3.1. Nguy n lý phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor Nguy n lý điều khiển vector tựa từ thông rotor  Phƣơng trình mômen điện từ:  m rd sq rq sd r 3 L M p' i i 2 L    (6.3.1) r rd r rq j0 truc q 0           m rd sq r L3 M p' i 2 L    (6.3.2) jβs jq is isq φ γ isd vsl vm ψr ωs ω d ar αs ≡ as vs 0 Hình 6.3.1. Biểu diễn hệ tọa độ αβ, dq Ta có: m r sd r L i 1 T p    (6.3.3) m rd sq r L3 M p' i 2 L   (6.3.4) 165 Với: r M sqi , sdi rL , Lm rT p ' : i n độ của vector từ thông rotor trùng với thành phần từ thông trên trục d : Momen trên trục động cơ. : Thành phần dòng điện stator trên trục d và trục q. : Điện cảm từ hóa, đi n cảm pha rotor : Hằng số thời gian điện từ rotor : Số đôi cực của rotor Từ (6.3.3) có thể đƣợc điều chỉnh thông Ψr qua isd => isd là thành phần sinh từ thông, và có vai trò tƣơng tự dòng điện kích từ ikt trong động cơ điện một chiều. isd và Ψr là quan hệ trễ bậc nhất với thời gian rT . Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác isd có thể ổn định Ψr tại mọi điểm công tác. Từ (8) thấy quan hệ giữa M và isq là quan hệ tuyến tính, do đó isq là thành phần dòng điện tạo momen quay và có vai trò tƣơng tự nhƣ dòng điện phần ứng trong động cơ 1 chiều. 6.3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển FOC Hình 6.3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển FOC với : 166  Chuyển hệ tọa độ stato sang hệ αβ và ngƣợc lại a s b 1 s c i1 0 0 1 0 0 i i C1 1 1 1 i 0 0 i3 3 3 3                                   (6.3.5) a s 1 b 1 s c 1 0 1 0 i i 3 3i 1 ; C 1 2 2i i 3 31 1 2 2 2 2                                               (6.3.6)  Chuyển hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq sd s 2 sq s i icos sin cos sin C i isin cos sin cos                                 (6.3.7) 6.3.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ A. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện  BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN Risd  Mô hình đối tƣợng Ta có: sd sd sd s sq rd rq r s sq sq s sd sq rq rq r s di u1 1 1 i p' i ' p ' ' dt T T L di u1 1 1 p' i i p ' ' ' dt T T L                                     (6.3.8) với: 2 m sl s r s r s r L1 1 1 ; 1 ; T T T L L             (6.3.9) Với phƣơng pháp FOC rq' rq rq m 0 0 L       (6.3.10) 167 p’ : số cặp cực của động cơ Chuyển (6.3.8) sang miền Laplace ta có: sd sd sd s sq rd r s u1 1 pi i p ' i ' T T L           sdsd s sq rd r s T u1 i p' i ' 1 pT T L                 (6.3.11) Hình 6.3.3. Mô hình ứng với công thức (6.3.11) Chuyển (6.3.8) sang miền Laplace ta có: sq sq s sd sq rd s u1 1 pi p' i i p ' ' T L            sq sq s sd rd s uT 1 i p' i p ' ' 1 pT L               (6.3.12) Hình 6.3.4. Mô hình ứng với công thức (6.3.12) Gộp mô hình ở hình 6.3.3 và 6.3.4 ta thu đƣợc mô hình đối tƣợng : 168 Hình 6.3.5. Mô hình đối tượng Hệ có liên kết chéo giữa đầu ra của mỗi kênh với đầu vào kênh còn lại.  Nếu xét với từng kênh bỏ qua liên kết chéo tức là bỏ qua suất điện động ta có: Hình 6.3.6. Bỏ qua liên kết chéo Hàm truyền G(p): sq s sq s s s s r i (p) T1 1 1 1 1 G u (p) L 1 pT L L 1 11 p pT T T                        Với 1 1 1 s rT T T       169 s s s s s r 1 G L 1 L L p T T            Chia cả tử cả mẫu cho Rs ta có: s s s s s s ss rs s s r s 1 1 R R G L L p 11 1 T T pL TR .T R .T R                     Đặt: s A r 1 1 1 T ; K T     (6.3.13)   A s s s A s s A K1 R R G 1 K .T p1 T p K            Đặt A s AT T K    A s s A K R G 1 T p    (6.3.14)  Mạch vòng dòng điện isd Ta có:   A s s A K R G 1 T p   Để đơn giản hóa khi thiết kế bộ điều chỉnh, ĐCVTKG (điều chế vector không gian) và biến tần sẽ đƣợc coi là một khâu truyền đạt 1:1 trung thành về pha và module, do đó có thể bỏ qua tr n sơ đồ hàm truyền đạt của hệ thống: KA Rs 1+pTA 1 1+pTi sdi R sd udatsdi sdi Hình 6.3.7. Mạch vòng dòng isd 170  Tổng hợp bộ điều chỉnh Risd Hàm truyền đối tƣợng: A s oi A i K R 1 S . 1 T p 1 pT    (6.3.15) • Theo tiêu chuẩn tối ƣu module ta có:   ch i ch 2 2 oi ch F 1 R voi F S 1 F 1 2pT 2p T              sd 2 2 s A i i A A s 2 2 A i 1 R 1 pT 1 pT1 2pT 2p T R K K 2pT 1 pT R 1 1 1 pT 1 pT 1 2pT 2p T                            sd s A i i A R 1 pT 1 pT R K 2pT 1 pT        Chọn: iT T  s s AA isd p isd A i A i A i R R T1 pT 1 1 R . 1 K (1 ) R K 2pT 2K T T .p .p             (6.3.16) Bộ điều chỉnh Risd là khâu PI  Lập luận tƣơng tự để tìm bộ điều khiển dòng điện isqR Hình 6.3.8. Mạch vòng dòng isq s NL s NL isq p isq NL i NL i NL i R 1 pT R T 1 1 R . 1 K (1 ) R K 2pT 2K T T .p .p            (6.3.17) KA Rs 1+pTA 1 1+pTi sqi R sq udatsqi sq i 171 Bộ điều chỉnh Risd là khâu PI B. BÙ SUẤT ĐIỆN ĐỘNG  TH1: Nhánh bộ điều khiển dòng điện isdR Hình 6.3.9. Bù liên kết chéo kênh 1 Thực hiện bù trƣớc đối tƣợng, sau bộ điều khiển Chuyển bộ cộng về sau khối: Hình 6.3.10. Chuyển bộ cộng về sau khối • Điều kiện bù: 1 1+pTi isd đ isd 1 1+pTббLs Tб X isq ωs isqX 1 Tr 1-б б p’ ψ’rd ωs ψ’rd usd isd R b2W b1W 1 бLs 1+pTб Tб X isq ωs 1 бLs isqX p’ ωs 1 Tr 1-б б ψ’rd 1 бLs ψ’rd isd usd b1W b2W 172 ' b1 rd b2 sq s rd sq s s s r ' b1 rd b2 sq s s r s 1 1 1 1 W ' W i . p'i 0 L L T 1 1 1 1 W . W p' i 0 L T L                                   b1 s r b2 s 1 1 1 W . 0 L T 1 W p' 0 L             sb1 r b2 s L W 1 T W p' L           (6.3.18) là khâu bù liên kết chéo cho kênh 1  TH2: Nhánh bộ điều khiển dòng điện Hình 6.3.11. Bù liên kết chéo kênh 2 Hình 6.3.12. Chuyển bộ cộng về sau khối Risq 1 1+pTi isq đ isq 1 1+pTббLs Tб X isd ωs isdX 1 Tr 1-б б p’ ψ’rd ωs usq ψ’rd ωX b3W b4W 1 бLs 1+pTб Tб isdX p’ ωs 1 Tr 1-б б ψ’rd 1 бLs ψ’rd isq usq ωX 1 бLs X isd ωs b4W b3W 173 • Điều kiện bù b3 sd s b4 rd sd s rd s s b3 sd s b4 rd s s 1 1 1 W i W ' . p 'i ' 0 L L 1 1 1 W p' i W ' 0 L L                                    b3 s b4 s 1 W p' 0 L 1 1 W 0 L              b3 s b4 s W p' L W L 1        là khâu bù liên kết chéo cho kênh 2 (6.3.19) C. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG ROTOR  Mô hình: Ta có phƣơng trình điện áp Urd trên hệ dq:  rdrd r rd sl rq r rq d U R i p' 0; d 0 dt            • Chuyển sang miền Laplace có: r rd rd0 R i p    (6.3.20) • Phƣơng trình từ thông: rd sd m rd ri L i L   (6.3.21) với r : i n độ của vector từ thông rotor ≡ thành phần từ thông trên trục d M : Mômen trên trục động cơ m rL ,L : Điện cảm từ hóa , điện cảo pha rotor p’ : số đôi cực rT : hằng số điện từ rotor 174 Từ (6.3.20) ta có: rdrd r p. i R    Thế vào (6.3.21) ta có: rd rd sd m r rd r sd m r r p. p i L . L (1 L ) i L R R         rd sd m rd ri L i L   (6.3.22) • Mô hình từ thông: 1+pTr Lmsdi r  Sơ đồ mạch vòng từ thông Rψ 1+pTr Mô hình tính toán ψr đ isd Lm ψr Hình 6.3.13. Mạch từ thông Coi mô hình tính toán từ thông tƣơng ứng 1 khâu quán tính bậc nhất s 1 1 pT  với 3 sT 10     Sơ đồ mạch vòng từ thông Rψ 1+pTr ψr đ isd Lm ψr s 1 1 pT  Hình 6.3.14. Mạch vòng từ thông Hàm truyền đạt đối tƣợng: 175 m o r s L 1 S 1 pT 1 pT      (6.3.23) Theo tiêu chuẩn tối ƣu module                2 2 ch s o ch m 2 2 r s r s r s m m s s 1 F 1 2pT 2p T R S 1 F L 1 1 1 pT 1 pT 1 2pT 2p T 1 pT 1 pT 1 pT 1 pT L 2pT 1 pT L 2pT 1 pT                                   Chọn sT T  Bộ điều khiển từ thông r m s 1 pT R 2L T p     (6.3.24) D. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Từ việc thiết kế bộ điều khiển dòng điện sqi R sq ch d 2 2 2 2 sq i i i 1 1 F i 1 2pT 2p T 1 2pT 2p T         Do chọn iT T  Bỏ qua thành phần bậc cao, ta có: ch i 1 F 1 2pT   (6.3.25) Mô hình 1 1+2pTi d sqi sqi Phƣơng trình mômen 176 m r sq c r 3 L J d M p' i ; M M 2 L p' dt      Biến đổi laplace, ta có:  c c Jp p' M M M M p' Jp     (6.3.26) Mô hình 3p’ψrLm 2Lr isq M ω(ωr) p’ Jp -Mc Coi r rconst    , ta có 3p’ІψrILm 2Lr 1 1+2pTi isq uωđ p’ Jp -Mc Rω 3p’ІψrILm 2Lr Kω 1+pTω isq đ ω Khối r m r 2L const 3p'L   dùng triệt tiêu m r r 3p'L 2L  Nếu nối trực tiếp R vào d sqi thì sau khi tính toán sẽ suất hiện một lƣợng nhƣ thế trong R với vai trò hệ số tỷ lệ: r m 0 r r m i r p K2L 1 3 L p' S p' 3p' L 1 2pT 2 L J 1 2pT               2p i i p'K J 1 p 2T T 2p TT        Bỏ qua thành phần bậc cao 2 i2p TT  0 p s p'K S J 1 pT       (6.3.27) 177 với s iT 2T T   (1) Tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng a. c dM 0; 0    Tiêu chuẩn đối xứng:     2 2 3 3 ch o ch 2 2 3 3 p s 1 4T p F 1 4pT 8p T 8p T R S 1 F K 1 4T p 1 J 1 pT 1 4pT 8p T 8p T                                    p s 2 2 1 4T p J 1 pT K 8p T 1 pT          Chọn sT T        s s 2 2 s s 1 4pT J 1 pT K 8p T 1 pT          s 2 s 1 4pTJ R p8K T       (6.3.28) b. c dM 0; 0   Ta có: -Mc Δω  s 2 s J 1 4pT 8K T p     i 1 1 2pT K 1 2pT     p ' Jp Ch ý : 2 lƣợng hệ số tỉ lệ đã triệt tiêu cho nhau             p sc 2 p i s 2 i s 2 p i s s p' J J 1 4pT Kp' 1M 1 J 1 2pT 1 pT8K T p 1 2pT 8K T p 1 pT p' J 1 2pT 8K T p 1 pT Jp'K 1 4pT                            p 0 c 0 lim 0 M 0 JK       178 kín 0 e 0      không cần bù (2). Tiêu chuẩn tối ƣu module a. cM 0     2 2 ch o ch 2 2 p s 1 F 1 2pT 2p T R S 1 F K 1 1 J 1 pT 1 2pT 2p T                          p s s J 1 pT K 2pT 1 pT        Chọn sT T  s J const (khâu K) 2K T    K b. cM 0 Ta có: 1 1+2pTi 1 Jp J 2KωTsω -Kω 1+pTω -Mc Δω c 0 M     p c p i s 1 J K1 1 JM 1 J 1 2pT 2K T 1 2pT                   i s p i s 1 2pT 2K T 1 1pT J 1 2pT 2K T 1 pT JK              s s p 0 c 2K T 2T lim 0 M 0 JK J              phải bù  dùng b nhiễu. c c d M M J M M Jp dt        mà m r sq r 3 L M p' i 2 L   m c r sq r 3 L M p' i Jp 2 L      Cần bù thêm một lƣợng sao cho  c c cM M M 0     179 3p’ІψrILm 2Lr 1 1+2pTi isq 1 Jp Rω 3p’ІψrILm 2Lr Kω 1+pTω isq đ ω Jpωb ωđ -Mc Sơ đồ ωđ Rω 1 1+2pTi -Mc isq 1 Jp ω ωb Mc ωđ Rω 1 1+2pTi -Mc isq 1 Jp ω 1 1+2pTi ωb Mc c c b c i 1 M M M 0 1 2pT        b b i i 1 1 1 2pT 1 2pT        Thêm khâu lọc ta có i b si 1 2pT ; 0,1 1 2pT       (IV) r m s r rL i L i   Mô hình từ thông rotor trên hệ   tính r Dùng (II) và (IV) (II) rr r r r r d u 0 R i jp' ( ) dt         m r r m r s r r r s r r L R d L R i R i jp' i L dt L        180  m r rs r r m s r r r L R d i L i L i jp' T L dt        Theo (IV) r r m s rL i L i  r r r r 1 d jp' T dt         m s r r r r r L 1 i (p) p jp' T T         r r r r 1 pT jp' T      r m r s r r r T L i jp' 1 pT T           Mà r r rj      r r r r rjp' jp' j jp' p'              s s si i i   Real r m r s r r r T L i p' 1 pT T               Imag r m r s r r r T L i p' 1 pT T               Bài tập ứng dụng, liên hệ thực tế Câu 1. Thành lập mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq dƣới dạng mô hình trạng thái ? Câu 2. Cho hệ điều chỉnh tần số của động cơ không đồng bộ - điểu chỉnh vô hƣớng a) Thiết lập luật điều chỉnh U f theo khả năng quá tải và giải thích ? b) Tại sao phải điều chỉnh onst U c f  (vùng dƣới tốc độ cơ bản) ? Câu 3. 181 Thiết lập bộ điều khiển tốc độ trong phƣơng pháp điều chỉnh điện áp – tần số với mạch vòng phản hồi âm tốc độ? . Câu 4. Hãy trình bày nguy n lý phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen ? Câu 5. Hãy trình bày sơ đồ cấu tr c phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen để điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc ? Câu 6. Cho hệ thống truyền động có động cơ 3 pha rotor lồng sóc với các thông số nhƣ sau Công suất Pđm = 4 kW Tần số f = 50 Hz Cấp điện áp lƣới 400 V Điện trở stator   S 1,405 R Điện trở rotor  ' 1,395 r R Mômen định mức M = 10 (Nm) Số đôi cực ' 2p  Momen quán tính J = 0,005 kgm 2 Tốc độ định mức nđm = 1430 (vòng/phút) Dựa tr n phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen, tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng? Câu 7. Cho hệ thống truyền động có động cơ 3 pha rotor lồng sóc sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen với bộ điều chình tốc độ dạng tỷ lệ tích ph n PI, hãy đánh giá ảnh hƣởng của nhiễu tải đối với hệ thống truyền động này ? Câu 8. Cho hệ thống truyền động có động cơ 3 pha rotor lồng sóc sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen với bộ điều chình tốc độ dạng tỷ lệ tích phân PI. Hãy vẽ đáp ứng tốc độ, mô men, từ thông stator và quỹ đạo từ thông stator ? Câu 9. 182 Trình bày nguy n lý điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ? Câu 10. Trình bày sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng thay đổi điện áp stator ? Câu 11. Trình bày nguy n lý điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor (FOC) ? Câu 12. Hãy vẽ sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor (FOC)? Câu 13. Hãy n u t n các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số? So sánh các phƣơng pháp này ? Câu 14. Cho ĐCKĐ Y có các tham số Tần số f = 50 Hz. Cấp điện áp lƣới 400 V Điện trở stator Rs = 0,5Ω, Lsϭ = 0,4H. Điện trở rotor R’ r= 0,25Ω, Lrϭ = 0.4H Số đôi cực p’=4. Mômen định mức M = 10 (Nm). Momen quán tính J = 0,005 kgm 2 Hãy tổng hợp bộ điều khiển tốc độ theo phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor FOC? 183 CHƢƠNG 7 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 7.1. Khái quát chung Động cơ đồng bộ ba pha, trƣớc đây thƣờng dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng MW ( truyền động cho các máy nén khí, quạt gió, bơm nƣớc, máy nghiền v.v). Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử và công nghệ vật liệu, động cơ đồng bộ đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất từ vài trăm W ( truyền động cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, ngƣời máy), đến hàng MW ( cho các truyền động kéo tàu tốc độ cao TGV, máy nghiền, máy cán v.v). Có thể phân loại động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính: - Loại rôto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài Mw. Cuộn kích từ đƣợc cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi. - Loại rôto là nam ch m vĩnh cửu với dải công suất nhỏ Tốc độ quay của động cơ đƣợc tính bằng biểu thức: 2   ss p f p (1.1) trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp; pp là số đôi cực của động cơ. Từ (1.1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh đƣợc tốc độ động cơ. Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số. Trong chƣơng này chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển cũng nhƣ các đặc tính và quá trình điện từ trong hệ truyền động bộ biến đổi tần số - động cơ đồng bộ (BBĐ-ĐB). 7.2. Cấu tạo động cơ đồng bộ Với giả thiết mạch từ động cơ chƣa bão hoà, các cuộn dây stato ba pha đối xứng, các tham số của động cơ không thay đổi. Dây quấn rôto mang dòng điện một chiều, ta có thể coi rằng nam châm điện rôto tạo ra từ thông khe hở không khí, từ thông này tác động với dòng điện stato tạo mômen kéo rôto quay. Vì rôto luôn quay đồng bộ vởi từ trƣờng stato (độ trƣợt bằng không) nên có thể gắn một hệ trục quay đồng bộ vào rôto, hệ trực giao này gọi là hệ d, q, trong đó trục d trùng với “cực bắc” của nam châm rôto. 184 tc c  Stato Trôc as N S bs R«to Trôc d c’s R«to Trôc q as Stato b’scs a’s R«to Hình 7.1. Động cơ đồng bộ cực lồi ba pha lý tưởng Hình 1.1 là động cơ cực lồi bởi vì khe hở không khí là không đều, điều này tạo ra sự không đối xứng của mạch từ dọc theo trục d và trục q, trong trƣờng hợp rôto đƣợc cấu tạo kiểu hình trụ tròn xoay với khe hở đều thì ta có động cơ đồng bộ cực ẩn. Ngoài dây quấn kích từ, trên rôto còn có thể có dây quấn cản, giống hệt dây quấn của động cơ không đồng bộ dùng để khởi động. Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu Sự khác nhau cơ bản giữa ĐCKD và ĐCD là sự khác nhau trong phƣơng thức sản sinh ra từ thông rotor. + Từ thông rotor của động cơ không đồng bộ đƣợc tạo nên bởi dòng kích từ isd, một thành phần của dòng stator. + Từ thông rotor của động cơ đồng bộ hoặc đƣợc tạo nên bởi một cuộn kích thích biệt lập với các cuộn dây stator, hoặc bởi các nam ch m vĩnh cửu bố trí đều đặn trên bề mặt rotor. Vì lý do đó, dòng điện stator chỉ còn chứa dòng tạo momen isq và không còn dòng kích từ isd nữa. 185 Hình 7.2. Kết cấu động cơ đồng bộ trên quan điểm hệ toạ độ Động cơ đồng bộ có hai loại là kích từ nam ch m vĩnh cửu và kích từ nam ch m điện nhƣng đều có điểm chung là từ thông rotor luôn có phân cực, có hƣớng nhất quán và cố định. Tính định hƣớng nhất quán ấy chỉ phụ thuộc vào cấu tr c cơ học của máy điện và làm đơn giản đi rất nhiều việc xây dựng mô hình điều khiển/ điều chỉnh động cơ. Nếu nhƣ ở động cơ không đồng bộ, ta phải tìm cách tính góc pha của từ thông rotor để có thể điều khiển/ điều chỉnh thì ở động cơ đồng bộ, góc pha ban đầu đã đƣợc biết trƣớc và do đó có thể liên tục đƣợc theo dõi chính xác bằng máy đo tốc độ quay rotor. Do đặc điểm trên, hệ toạ độ dq của động cơ đồng bộ có thể đƣợc coi là đã xác định. Điều này cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các phƣơng pháp điều chỉnh trên hệ toạ độ dq mà không cần quan tâm tới hệ toạ độ αβ nữa. Mặt khác, hệ thống kích thích bởi nam ch m vĩnh cửu có thể đƣợc thay thể tính toán bằng một hệ thống kích thích bởi cuộn kích từ và dòng kích thích tƣơng ứng. Điều đó cho phép ta chỉ cần xét đến loại động cơ đồng bộ có kích thích vĩnh cửu kiểu cực ẩn là đầy đủ. 7.3. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq 7.3.1. Hệ phƣơng trình vi phân mô tả động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq Hệ phƣơng trình mô tả động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq              +j f f f fs s ss s s f f f s ss p d u R i dt i L (7.3.1a) (7.3.1b) Để đơn giản ta bỏ qua chỉ số f – đặc trƣng cho hệ tọa độ dq +j s s ss s s ss s p d u R i dt i L             (7.3.2) (7.3.3) Phƣơng trình mô men   3 2 c sd sqsq sdM p i i   (7.3.4) Phƣơng trình chuyển động 186   C c J d M t M p dt    (7.3.5) với ,s rR R : lần lƣợt là điện trở stator và rotor sdL : điện cảm stator đo ở đỉnh cực (vị trí trục d) sqL : điện cảm stator đo ở ngang cực (vị trí trục q) cp : số cặp cực J : mômen quán tính Điểm khác biệt giữa ĐCĐ và ĐCKĐ qua hệ phương trình cơ bản của ĐCĐB: +Khác với ĐCKĐ , đối với ĐCĐ , s  . Nhờ phƣơng pháp điều khiển FOC, đặc điểm đồng bộ giữa tốc độ góc s của vector điện và tốc độ cơ học  của rotor luôn đƣợc đảm bảo trong chế độ làm việc của động cơ + Trong ĐCKĐ , điện cảm stator sL là không đổi do kết cấu tròn đều của rotor, do khoảng cách khe từ giữa rotor và stator có thể đƣợc coi là cố định. Còn trong ĐCĐ , khe từ giữa rotor và stator tại đỉnh cực (vị trí trục d) bé hơn nhiều so với khe tại vị tri trục q. Do đó trị số điện cảm stator khác nhau khi đo với các vị trí khác nhau của rotor. sdL : điện cảm stator đo ở đỉnh cực (vị trí trục d) sqL : điện cảm stator đo ở ngang cực (vị trí trục q) mà s sd sq s sd sq s sd sq i i ji j u u ju          (7.3.6) Từ (7.3.2) và (7.3.6), ta có       +j j s s ss s s sd sq s sd sq sd sq s sd sq d u R i dt d u ju R i ji j j dt                  187 sd sq s s sqsd s sq s sd sd sq d R i dt d R i dt u u                (7.3.7a) (7.3.7b) Sau khi xét đến sự khác biệt điện cảm stator trên 2 trục d và q, từ (7.3.3) ta có sd sd sd p sq sq sq i L i L        (7.3.8a) (7.3.8b) Thay (7.3.8a) và (7.3.8.b) vào (7.3.7a), ta có: sds s sq sqsd sdsd L d R i i L i dt u   (7.3.9) Thay (7.3.8a) và (7.3.8.b) vào (7.3.7b), ta có s ps sq sq ssd sd sdsq d R i L i L i dt u    (7.3.10) Từ (7.3.9), ta có 1 1 1 sd sqs sqsd sd sd sd sd sq sqsd sd sd sd sd s s sq sqsd sd sd sd sd s s L LR u i i L L L L i i u T L L d R i i L i dt di dt di dt u                (7.3.11) với sdsd s L T R  hằng số trục d của mạch stator Từ (7.3.10), ta có 1 s p sq psd s sd sq sq s sq sq sq s sq sq ssd sd sd s sq sq di L i i u dt L L L d R i L i L i dt R L u               1 1sq psd s sd sq sq s sq sq sq sq di L i i u dt L T L L         (7.3.12) với sq sq s L T R  hằng số trục q của mạch stator 188 Tóm lại, hệ phƣơng trình vi ph n mô tả động cơ đồng bộ trên hệ trục dq 1 1 1 1sd s sq psd s sd sq sq s sq sq sq sq sq sqsd sd sd sd sd di dt di L i i u dt L T L L L i i u T L L                     (7.3.13) Hệ phƣơng trình vi ph n mô tả động cơ đồng bộ: ' ' 1 1 1 ' ' ' 1 1 1 ' ' ' 1 1 ' ' 1 1 ' ' s s s r c r r r s s s s r c r r r s r s r c r r r r r s c r r r r r di u i p dt T T L di u i p dt T T L d i p dt T T d i p dt T T                                                                          (7.3.14) So với ĐCKĐ , ƣu thế của ĐCĐ : do đặc điểm kích thích vĩnh cửu, hệ (7.3.13) bớt đi 2 phƣơng trình từ thông rotor và do đó vector trạng thái đơn giản đi 2 chiều với ĐCKĐ . 7.3.3. Hệ phƣơng trình laplace mô tả động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq a) Phƣơng trình laplace đối với dòng điện sdi Từ phƣơng trình vi ph n (7.3.11), ta có: 1 1sd s sq sqsd sd sd sd sd di dt L i i u T L L     ( ) ( ) 1 1 sd s sq sqsd sd sd sd sd pi p p L i i u T L L      1 ( ) 1 sqsd s sqsd sd sd sd sd LT i p i u pT L L            (7.3.15) 189 1 sdL sdu 1 sd sd T pT s di s s qisq sd L L Hình 7.3.3. Sơ đồ cấu trúc tương ứng công thức (7.3.15) b) Phƣơng trình laplace đối với dòng điện sqi 1 1sq psd s sd sq sq s sq sq sq sq di L i i u dt L T L L        1 ( ) 1 ( )sq sq sq psd s sq ssd sq sq sq pi p u L L i i p L T L        1 ( ) 1 sq sq sq psd s ssd sq sq sq i p p u L L i T L L                1 ( ) 1 sq psd sq s sd sq s sq sq sq sq T L i p i u pT L L L              (7.3.16) s sdi sqi  sd sq L L p sqL  1 sq sq T pT 1 sqL squ s s Hình 7.3.3. Sơ đồ cấu trúc tương ứng công thức (7.3.16) 7.3.3. Sơ đồ cấu tr c mô hình động cơ đồng bộ trên hệ trục tọa độ dq 190 Thay (7.3.8) vào (7.3.4), ta có 3 ( ) 2 c p sq sq sqsd sd sdM p i L i i L i     3 ( ) 2 c p sq sq sqsd sdM p i i i L L      (7.3.17) Phƣơng trình laplace của mômen điện từ: 3 ( ) ( ) 2 c p sq sq sqsd sdM p p i i i L L     (7.3.18) p sd sqL L s di 3 2 cp M sqi Hình 7.3.4. Sơ đồ cấu trúc tương ứng công thức (7.3.18) Phƣơng trình chuyển động   C c J d M t M p dt    (7.3.19) Chuyển sang laplace, ta có:  ( ) ( ) -c C p p M p M Jp   (7.3.20) ω MC M cp Jp Hình 7.3.5. Sơ đồ cấu trúc tương ứng công thức (7.3.20) Kết hợp các hình từ hình 7.3.2 đến 7.3.5, ta có: 191 1 sdL sdu 1 sd sd T pT s di s sdi sqi  sd sq L L p sqL  1 sq sq T pT 1 sqL squ s  sq sd L L  sqi sd sqL L 3 2 cp M p ω MC cp Jp Hình 7.3.6. Mô hình ĐCĐB trên hệ trục toạ độ dq 192 TỔNG KẾT - Sơ đồ cấu trúc thể hiện sự xen kênh tín hiệu giữa và sd sqi i của ĐCĐ - Mô hình này đƣợc sử dụng để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ trong phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor - FOC 7.4.Tổng quan điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bằng phƣơng pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor-FOC Hình 7.4.1. Cấu trúc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bằng phương pháp FOC 7.4.1. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện isd Từ mô hình tr n, ta tách ra đƣợc đối tƣợng điều khiển của vòng điều chỉnh dòng isd nhƣ hình dƣới đ y: Hình 7.4.1. Mạch điều chỉnh dòng isd Máy đo tốc độ quay k sje  3~ sje  0i*sd  * sqi ĐCid Đciq MTu CTĐu SVM 3 2 usd usq usα usβ isd isq CTĐi Khâu tích phân s *  yd yq ĐCω I d b I c 193 Nếu bỏ qua sức điện động cảm ứng do dòng isq g y ra, ta có đƣợc mô hình vòng điều chỉnh dòng isd giống nhƣ động cơ một chiều nhƣ hình dƣới đ y: Hình 7.4.2. Mạch vòng điều chỉnh dòng isd Do bộ nghịch lƣu có các van là transistor IG T kiểu MOSFET nên thời gian đóng cắt rất nhanh. Vì vậy, thời gian TNL sẽ rất nhỏ có thể bỏ qua. Khi đó, bộ nghịch lƣu sẽ đƣợc coi nhƣ một khâu khuyếch đại và ta có mô hình vòng điều chỉnh dòng isd nhƣ hình dƣới đ y Hình 7.4.3. Mạch vòng điều chỉnh dòng isd thu gọn Từ mô hình tr n ta tính đƣợc đối tƣợng điều khiển của Risd là )pT1)(pT1( 1 Rs KK S sisd siNL 0   Dùng tiêu chuẩn tối ƣu module với 22 T2pT2p1 1 Fch    Ta có: isd* Risd usd* Đo lƣờ ng dò ng điệ n usd isd isω isd 194   p.T2 pT1 K.K R )pT1)(pT1( T2ppT1 R K.K 1 T2pT2p1 1 1 )pT1)(pT1( 1 R K.K T2pT2p1 1 )F1(S F Ri si sd siNL s TsiT sisds siNL 22 sisds siNL 22 ch0 ch sd                                    Để nâng cao chất lƣợng điều khiển ta phải tiến hành bù sức điện động do tác động của dòng isq g y ra. Mô hình nhƣ sau: Hình 7.4.4. Mô hình vòng điều chỉnh isd hoàn chỉnh Từ mô hình tr n ta tính đƣợc hàm bù tác động của dòng isq (với điều kiện bỏ qua hằng số thời gian của bộ nghịch lƣu) : sq sqNL sq s b1 sq s b1 sd sd NL L LK i . .W . i . . W L L K      7.4.2. Tổng hợp vòng điều chỉnh dòng isq Hoàn toàn tƣơng tự nhƣ đối với vòng điều chỉnh dòng điện isd ta xây dựng đƣợc bộ điều khiển cho dòng isq khi bỏ qua sức điện động do dòng isd và từ trƣờng cảm ứng của roto gây ra là: p.T2 pT1 K.K R Ri si sq siNL s sq   ωs ωs isq usd Wb 1 isq isd* usd* Ris d usd isd 195 Vấn đề còn lại là thiết kế kh u bù tác động của dòng isd và từ thông roto cảm ứng. Mô hình tổng thể của hệ thống mạch vòng điều chỉnh dòng điện isq nhƣ sau: Hình 7.4.5. Mô hình vòng điều chỉnh isq hoàn chỉnh Theo mô hình tr n ta tính đƣợc khâu bù sức điện động cho vòng điều chỉnh dòng điện isq (bỏ qua hằng số thời gian của khâu nghịch lƣu) là NL sd sd sd s b2 sd s b2 sq sq NL K L L i . .W . i . . W L L K      NL sd sd p s b3 p s b3 sq sq NL K L L . .W . . . W L L K        Theo thiết kế, nghịch lƣu có đầu ra lớn nhất là 220 V. Tín hiệu đặt Usd và Usq lớn nhất là 10 V. Do đó, có KNL = 220/10 = 22. Tƣơng ứng, chọn hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện là điện trở Sun có thông số 50A/100mV. Thông qua mạch khuếch đại để chuyển về mức điện áp chuẩn đầu ra là 10V. Do vậy, hệ số khuếch đại dòng điện Ksi = 5. 7.4.3. Thiết kế mạch vòng điều chỉnh tốc độ Với vòng điều chỉnh tốc độ, theo tr n đã ph n tích, động cơ đồng bộ luôn có một thành phần mômen phản kháng sinh ra do tác dụng của việc điện cảm dọc trục Lsd và ngang trục Lsq không bằng nhau và một thành phần mômen chính. Do vậy, ta cũng thực hiện tƣơng tự nhƣ với việc thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện. Ta sẽ thực hiện tính toán bộ điều khiển tốc độ với thành phần chính còn thành isq* isd Wb2 usd* isd isd usd* Ris d isd* usd 196 phần phản kháng kia ta sẽ thiết kế một khâu bù sau. Cấu tr c vòng điều chỉnh tốc độ nhƣ hình vẽ dƣới đ y Hình 7.4.6. Mô hình vòng điều chỉnh tốc độ Cấu hình vòng điều chỉnh tốc độ đã bỏ qua ảnh hƣởng của momen phản kháng và momen tải: Hình 7.4.7. Mô hình vòng điều chỉnh tốc độ rút gọn Với vòng điều chỉnh tốc độ, ta coi nhƣ mômen tải mT = 0, nếu thiết kế theo phƣơng pháp tối ƣu môdule ta sẽ nhận đƣợc bộ điều khiển có dạng là khâu khuyếch đại – cấu hình sẽ rất đơn giản nhƣng khi mT ≠ 0 sẽ gây ra sai số về tốc độ do hệ thống khi đó sẽ trở thành hệ hữu sai cấp 1. Do đó, ta sẽ thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ quay theo phƣơng pháp tối ƣu đối xứng với hàm chuẩn 3322 T8pT8pT4p1 T4p1 Fch      mM* isq* isq mM mM isq Ris q isq ω = ωs Lsd - Lsq mT isq isd Wb4 isq* isd Wb 3 197 Đối tƣợng điều khiển của bộ điều khiển tốc độ là p)pT1( 1 J pK p)pT1)(T2p1( 1 J pK pT1 K . pJ p . T2p1 1 0S s c si cc si             Bộ điều khiển tốc độ có dạng: 2 s s c2 s c s TsT s 22 c 3322 s c 3322 ch0 ch sd T8p T4p1 pK J T8p J pK T4p1 p)pT1( )pT1(T8p J pK T4p1 T8pT8pT4p1 T4p1 1 p)pT1( 1 J pK T8pT8pT4p1 T4p1 )F1(S F Ri                                               Vấn đề còn lại là thiết kế khâu bù mômen phản kháng do sự khác nhau giữa điện cảm dọc trục và ngang trục gây ra. Theo mô hình trên, nếu bỏ qua hằng số thời gian của mạch vòng dòng điện, ta có c b4 3p (Lsd Lsq) W 2   7.4.4. Vùng tốc độ lớn hơn tốc độ định mức Khi tốc độ hoạt động yêu cầu lớn hơn tốc độ định mức, ta phải giảm từ thông rotor bằng cách bơm một lƣợng isd < 0 vào mạch điều khiển. Việc duy nhất ta phải làm là xác định giá trị isd cần là bao nhiêu. Khi động cơ hoạt động với tốc độ định mức, sức phản điện động của động cơ khi đó là max E r dm E p dmE K . . K . .      . Khi tăng tốc độ động cơ l n lớn hơn tốc độ định mức, ta phải giảm từ thông rotor đi một lƣợng sao cho sức điện động của động cơ khi đó không thể vƣợt quá Emax. Hơn nữa, để đảm bảo lƣợng điều chỉnh là tối ƣu thì tốc độ tăng l n bao nhi u lần, từ thông sẽ giảm đi bấy nhiêu lần. Ta có: r p sd sdi L   . Do đó ta có 198     max E p dm E p sd sd p dm p dm sd sd sd E K . . K . i .L . i 1 L . L                      Vậy, khi hoạt động ở tốc độ đặt lớn hơn tốc độ cơ bản thì lƣợng đặt isd cần thiết đƣa vào trục d đƣợc tính toán nhƣ công thức trên. Bài tập ứng dụng, liên hệ thực tế Câu 1. Thành lập hệ phƣơng trình vi ph n mô tả động cơ đồng bộ trong hệ tọa độ  0, ,d q Câu 2. Thành lập Hệ phƣơng trình laplace của động cơ đồng bộ trong hệ tọa độ  0, ,d q ? Câu 3. Vẽ mô hình của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ  0, ,d q ? Câu 4 a) Vẽ sơ đồ phƣơng pháp điều chỉnh FOC cho động cơ đồng bộ ? b) Dựa tr n phƣơng pháp điều khiển FOC, tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện sdi bằng các tiêu chuẩn tối ƣu? Xác định các khâu bù? Câu 5 Dựa tr n phƣơng pháp điều khiển FOC, tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện sqi bằng các tiêu chuẩn tối ƣu? Xác định các khâu bù? Câu 6. Dựa tr n phƣơng pháp điều khiển FOC Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ? Xác định các khâu bù? 199 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS. Bùi Quốc Khánh (2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Bách Khoa 2 GS.TS. Nguyễn Phùng Quang (2016), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Bách Khoa Hà Nội [3] PGS.TS. Bùi Quốc Khánh (2006) Cơ sở Truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật