XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ TRONG TỌA ðỘ KHÔNG GIAN KHÁC NHAU
Mụ tả chung về ủộng cơ khụng ủồng bộ (ðK)
1.1.1 Mụ hỡnh ba pha của ủộng cơ khụng ủồng bộ ðộng cơ khụng ủồng bộ cú cỏc dõy quấn ba pha ở rụto và stato, cỏc dõy quấn là ủối xứng và ủược bố trớ sao cho từ thụng dọc theo chu vui khe hở khụng khớ cú dạng hỡnh sin, gọi k là tờn của dõy quấn thỡ ta cú phương trỡnh ủiện ỏp như sau: k k k k k e dt i d R
Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn
Momen ủiện trở của ủộng cơ cú: m k k i k
Dây quấn stato và rôto được ký hiệu là as, bs, cs, ar, br, cr, với k và j đại diện cho tỷ lệ giữa các dây quấn này L là điện cảm chính của các dây quấn pha stato.
N s : Số vòng dây một pha stato
N r : Số vòng dây một pha rôto θm: Vị trí góc của dây quấn rôto
Thỡ cú thể viết ủược 6 phương trỡnh ủiện ỏp cho ðK như sau nờn mạch từ cũn chưa bóo hũa (ủiện cảm là hằng)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 5 i br
Hỡnh 1.1 Sơ ủồ dõy quấn tập trung của ðK m dt d θ ω=
( s s ) as bs cs m m ar m m br m m cr as R pL i pL i pL i pL i pL i pL i
( s s ) bs cs m m ar m m br m m cr as bs pL i R pL i pL i pL i pL i pL i
( s s ) cs m m ar m m br m m cr bs as cs pL i pL i R pL i pL i pL i pL i
( r r ) ar br cr cs m m bs m m as m m ar pL i pL i pL i R pL i pL i pL i
( s s ) br cr ar cs m m bs m m as m m bs pL i pL i pL i pL i R pL i pL i
( s s ) cr br ar cs m m bs m m as m m cs pL i pL i pL i pL i pL i R pL i
L σ s =δ σ ; δ là các hệ số tản từ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 6
Và tất cả cỏc ủại lượng ủiện từ ủược coi như là cỏc vectơ cú ba chiều theo ba trục của dây quấn
U cr br ar r cs bs as s cs bs as s cs bs as s ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ;
Thì có thể viết lại hệ phương trình (3.3) như sau:
Momen ủiện từ của ủộng cơ cú thể ủược tớnh như sau:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 7
Các phương trình mô tả động cơ điện (ðK) liên quan đến các dây quấn ở stato và rôto có hệ số thay đổi theo vị trí góc của dây quấn rôto θ m trong khoảng từ 0 đến 2π.
Giải trực tiếp các phương trình có nhiều bất tiện do yêu cầu mô tả khác nhau cho ĐK Một trong những mô hình phổ biến là sơ đồ 3 pha của ĐK trong việc quy đổi các dây quấn rụto về mạch stato.
Hỡnh 1.2 Sơ ủồ 3 pha quy ủổi về stato của ðK
Trong mạch quy ổi về stato, dây quấn rụto được kết nối với dây quấn stato thông qua sự cảm ứng điện từ Mối quan hệ giữa dây quấn rụto và stato cựng pha luôn ổn định với hằng số L Các đại lượng điện từ trong mạch rụto được quy đổi thông qua hệ số k e = N s /N r, và tham số được quy đổi qua hệ số k r = k e^2 Ma trận tham số của mạch quy ổi là các ma trận hằng.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 8
Trong mô hình H.1.1, dây quấn rôto quay với vận tốc ω, trong khi ở mô hình H.1.2, dây quấn rôto ứng yên Tại đây, vectơ từ thông ψ r vẫn quay cùng với tốc độ từ trường quay, được biểu diễn bởi công thức: ω s = ω + ω sl.
Trong ủú ωsl, tần số gúc của dũng ủiện (từ thụng) rụto phụ thuộc vào vị trí của ủiểm mốc quan sỏt nằm trên rụto Khi ủú trong dõy quấn rụto, sẽ xuất hiện các sức ủiện ủộng quay k k theo phương trình (1.1) Tuy nhiên, chỉ có thành phần từ thụng vuụng gúc với trụ dõy quấn mới sinh ra sức ủiện ủộng quay, như minh họa trong H.1.3.
Hỡnh 1.3 Mụ hỡnh giải thớch cỏch tớnh sủủ rụto
Từ phõn tớch ở trờn ta cú thể tớnh ủược sức ủiện ủộng rụto
Dựa vào sơ đồ quy ước và các ký hiệu quy ước, chúng ta có thể dễ dàng viết ra hệ các phương trình cơ bản của điện kế trong không gian 3 pha quy ước về stato.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 9
[ mb mc i ar mA i br i cr ]
Sơ đồ H.1.2 cùng với các hệ phương trình kèm theo hỗ trợ người dùng phần mềm mô phỏng tính toán các đại lượng điện từ của động cơ không đồng bộ Đặc biệt, trong trường hợp động cơ roto lồng sóc, giá trị U' r sẽ bằng 0.
Từ các phương trình (1.7) và (1.8), chúng ta có thể xây dựng mô hình tương ứng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ như hình H.1.4 Tất cả các đại lượng điện từ đều là các vectơ quy trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ Động cơ có hai dây quấn, bao gồm dây quấn stato và dây quấn rotor, với các tham số được biểu diễn bằng các ma trận hằng.
Hỡnh 1.4 (a) Mụ hỡnh của ðK trong hệ tọa ủộ cực
(b) Cỏc ủại lượng vộc tơ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 10
Từ nay, để đơn giản hóa cách biểu diễn, tác giả sẽ bỏ qua các dấu phẩy (’ ) trên các đại lượng rút gọn, tuy nhiên ý nghĩa của chúng vẫn được giữ nguyên.
1.1.2 ðại lượng véc tơ không gian
Trong mục này trỡnh bày ý nghĩa vật lý cho cỏc khỏi niệm vộc tơ ủược sử dụng ở mục trên
Động cơ không đồng bộ ba pha với dây quấn đối xứng ở stato tạo ra từ trường hình sin Để đạt được phân bố mật độ từ thông hình sin, sức từ động (i_as, N_s) phải là hàm hình sin dọc theo chu vi khe hở Các dây quấn pha được coi là có phân bố mật độ quấn dây cũng hình sin Mỗi pha tạo ra một sức từ động (STĐ) có dạng hình sin dọc theo chu vi khe hở, và biên độ của STĐ này tỉ lệ với độ lớn của dòng điện tương ứng Đặc tính của STĐ phụ thuộc vào cực tính của dòng điện và hướng bố trí theo trục của dây quấn pha Ví dụ, với dòng điện pha a dương i_sa tại thời điểm θ_1, tạo ra phân bố mật độ từ trường hình thành góc.
Stato này hoạt động theo chu kỳ, với 2π so với trục dọc quấn pha a, và có giá trị cực đại theo hướng trục ảo H.1.5 cho thấy mạch này hoạt động dọc theo trục ảo θ 1 ω et.
Hỡnh 1.5 Phõn bố mật ủộ dũng ủiện khi chỉ cú pha a cú dũng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 11
Sức từ ủộng toàn phần của stato được xây dựng bằng cách xếp chồng các phân bố mật độ dung điện của cả ba pha STð toàn phần, với phân bố hình sin thể hiện qua hai hình bán nguyệt Biến độ của STð toàn phần tỷ lệ với biến độ dung điện pha và hướng của nó, phụ thuộc vào thời gian θ và giá trị tức thời của i as (t), i bs (t) và i cs (t) Do dung điện các pha thay đổi theo thời gian, STð toàn phần thực chất là một sóng mật độ dung điện quay.
Hỡnh 1.6 Phõn bố mật ủộ dũng ủiện tổng từ cỏc dũng ủiện i as (t), i bs (t), i cs (t)
Việc xếp chồng cỏc phõn bố mật ủộ dũng ủiện pha ủược xỏc ủịnh bằng vộc tơ khụng gian dũng ủiện phức stato:
Bởi vỡ a là vộc tơ ủơn vị, thể hiện hướng tựa theo trục dõy quấn pha b, đại diện cho phân bố mật độ dòng điện hình sinh gõy ra bởi dòng i bs Tương tự, a 2.i cs cũng đại diện cho phân bố mật độ dòng điện do dòng ủiện i cs gõy ra, với a 2 chỉ hướng của trục dõy quấn pha c.
Mụ hỡnh ủộng cơ khụng ủồng bộ trong cỏc hệ tọa ủộ trực giao
1.2.1 Mụ hỡnh trong hệ tọa ủộ gắn với stato (α, β, 0)
Từ H.1.4 cho thấy rằng tất cả các đại lượng điện từ đều có thể biểu diễn bằng các vector không gian trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ Các vector này được xác định bởi biên độ và vị trí góc, cho phép chúng ta biểu diễn các vector này bằng các thành phần của nó trên hệ tọa độ trực giao bất kỳ.
Hệ trục tọa độ trực giao được định nghĩa với tên gọi hệ (α, β, 0), trong đó trục Oα vuông góc với trục của dây quấn pha a của stato Các đại lượng vectơ được biểu diễn thông qua hai phần chiếu trên các trục tọa độ, ví dụ như vectơ U s.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 14 α= as
Hình 1.8 Biểu diễn véc tơ trên hệ trục α, β
Trong chế ủộ xỏc lập ta cú thể tớnh ủược: U s = U m ; ω c = p 'ω s
Trong ủú U m, biờn ủộ ủiện ỏp pha stato được mô tả qua các phương trình (1.7) và (1.8) trong hệ tọa ủộ α, β Chúng ta có thể chiếu trực tiếp các phương trình này lên các trục α, β hoặc sử dụng sơ đồ thay thế để thể hiện mối quan hệ Theo sơ đồ H.1.4,a, các trục tọa ủộ tương ứng được biểu diễn trên H.1.9 với LM = 1,5.Lm Các dõy quấn của máy ủiện trên các trục vuông góc với nhau, vì hỗ cảm giữa chúng bằng không, và sức ủiện ủộng quay ở mạch roto của dây quấn này được cảm ứng từ từ thông rôto của dây quấn kia tương ứng với góc đã chỉ định.
Hỡnh 1.9 Sơ ủồ thay thế của ủộng cơ khụng ủồng bộ trong hệ trục α, β
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 15
Từ sơ ủồ thay thế dạng hai pha vuụng gúc của mỏy ủiện H.1.9, ta dễ dàng viết ủược cỏc phương trỡnh mụ tả ủộng cơ: r r r r r s s s s dt i d R dt U i d R
Từ hệ (1.14) cú thể dụng ủược sơ ủồ cấu trỳc dạng liờn tục của ủộng cơ trong không gian α, β như H.1.9
Các đại lượng vật lý trong không gian của máy điện là duy nhất, nhưng chúng có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ ba pha quy ước với các ký hiệu as, bs, cs, hoặc trong hệ tọa độ trực giao αs, βs Qua đó, có thể tìm được mối tương quan giữa hai hệ tọa độ này, ví dụ như đối với máy điện stato.
Trong ủú ma trận ỏnh xạ C 1 là phộp biến ủổi 3 pha thành 2 pha nghịch ủảo của nú là phộp biến ủổi 2 pha thành 3 pha
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 16
Hệ phương trình (1.14) có thể được biểu diễn qua sơ đồ cấu trúc như hình H.1.10, sử dụng ánh xạ liên tục p = d/dt kết hợp với phương trình chuyển động của hệ.
Hỡnh 1.10 Sơ ủồ cấu trục của ðK trong hệ tọa ủộ α, β
1.2.2 Mụ hỡnh trong hệ tọa ủộ quay ủồng bộ (d, q, 0)
Các đại lượng vectơ không gian có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ trực giao d, q, quay với tốc độ ωs Mục tiêu là trong chế độ tựa xác lập vị trí góc của các vectơ này tính từ hệ trục tọa độ d, q sẽ không thay đổi Do đó, các thành phần chiếu của vectơ không gian lên các trục sẽ là các đại lượng một chiều, ví dụ như vectơ lực, như thể hiện trong hình 1.11.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 17 γ us ω s β s ω s
Hình 1.11 Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q as sk U ds jU
Hệ trục d, q chính là hệ trục α, β được quay một góc θs, với công thức (d, q) = e^(jθs)(α, β) và e^(jθs) = cosθs + j sinθs Điều này có nghĩa là các thành phần theo các trục 0d, 0q của véc tơ không gian cũng được quay một góc tương ứng Để tiện theo dõi, ta thêm chỉ số k vào các véc tơ không gian được biểu diễn trong hệ d, q, dẫn đến các biểu thức như: s s s s j r rk j s sk j s sk j s sk U e i i e e U U e.
U = θ ; = θ ;ψ =ψ θ ; = θ và dt e d j dt e d dt d s s j sk s sk j sk s s θ ω ψ ψ ω ψ θ θ
Phương trình thứ nhất của hệ (3.7) trở thành: sk s sk sk sk s j dt i d R
Lập luận tương tự được áp dụng cho phương trình điện áp ở mạch rụt với sự chú ý rằng bản thân dây quấn, rụt cũng quay cùng chiều một góc θm Do góc quay thực tế chỉ là θsl = θs – θm, phương trình thứ hai của hệ (1.7) sẽ trở thành:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 18 rk s rk rk rk r j dt i d R
Trong ủú ω sl = d θ sl / dt là tốc ủộ trượt
Ta có thể tìm được sơ đồ thay thế của ĐK trong hệ tọa độ d, q bằng cách quay các sơ đồ trên H.1.9 với tốc độ ωsk Lưu ý rằng dây quấn rôto sẽ quay với tốc độ ω Trong các dây quấn stato (quay với tốc độ ωs), sẽ xuất hiện các suất quay tỉ lệ với tích số giữa ωs và từ thông của dây quấn stato trên trục đối diện Đối với các dây quấn rôto (cũng quay với tốc độ tổng là ωs nhưng có tốc độ riêng phần là ω), cũng sẽ xuất hiện các suất quay tỉ lệ với tích số giữa tốc độ trượt ωsl = ωs – ω và từ thông của dây quấn rôto trên trục tiết diện, như thể hiện trong H.1.12.
Hỡnh 1.12 Sơ ủồ thay thế ðK trong hệ trục tọa ủộ d, q e ds = - ω s ψ qs eqs = - ωsψds e dr = - ω s ψ qr eqr = - ωsψdr
Từ cỏc phõn tớch và sơ ủồ thay thế cú thể dẫn ra ủược hệ phương trỡnh 1.18 với (U sd , U as ) T = e jθs (U αs , U βs ) T qs s ds ds s ds dt i d R
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 19 ds s qs qs s qs dt i d R
− + qr s dr dr s dr dt i d R
− + dr s qr qr s qr dt i d R
− + dr r ds M dr dr M ds s ds Li L i L i Li
U = + ;ψ = + (1.18) qr r qs M qr qr M qs s qs Li L i L i Li
Hệ phương trỡnh (1.18) ủượng biểu diễn bởi sơ ủồ cấu trỳc H.1.13 Sơ ủồ này là tiện lợi cho thiết kế ủiều khiển và nhận dạng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 20
Hỡnh 1.13 Sơ ủồ cấu trỳc của ðK trong hệ tọa ủộ d, q
1p 1p ψdsids1Lδs idr1Lδr Udr ψdr ψMd
1Lδs 1Lδriqs iqr ψqsUqs ψqrUar xx ωs Mc
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 21
Hệ phương trình (1.18) và sơ đồ cấu trúc H.1.13 thể hiện sự khác biệt so với hệ phương trình (1.14) và sơ đồ cấu trúc H.1.10 ở các sức ủiện của mạch dây quấn stato Sự khác biệt này là kết quả của việc quay hệ trục tọa độ, cũng như quay cả máy ủiện.
Để xác định ma trận ánh xạ giữa hai hệ tọa độ d, q và hệ tọa độ α, β, cần thực hiện phép quay hệ trục α, β với một góc θs Ngược lại, để chuyển đổi từ hệ tọa độ α, β về hệ tọa độ d, q, sẽ thực hiện phép quay với góc (-θs).
; cos cos sin sin cos
Trong phần này, chúng tôi sẽ đề cập đến việc lựa chọn hệ trục tọa độ d, q, điều này rất quan trọng do tính phức tạp của các mô hình Trong tính toán điều khiển, hệ trục d, q được gắn với một đại lượng vector không gian cụ thể, giúp đơn giản hóa mô hình của điều kiện kèm theo và định hướng cho các giải pháp kỹ thuật.
Hệ trục d, q có thể được xác định dựa trên các yếu tố như véc tơ điện áp stator, véc tơ từ thông từ húa, véc tơ từ thông stato, véc tơ từ thông rụto và véc tơ dòng điện stato.
1.2.3 Mụ hỡnh trong hệ tọa ủộ gắn với rụto (D, Q, 0)
Với động cơ điện rụto dõy quấn, việc điều khiển thường được áp dụng trong mạch rụto, do đó có thể dẫn đến mụ hỡnh động cơ gắn với rụto.
Hình 1.14 Biểu diễn véc tơ không gian tổng trục gắn với rôto (D, Q)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 22
Cú nhận xột rằng hệ trục D, Q chớnh là hệ trục α, β quay ủi một gúc:
Dễ dàng áp dụng các phân tích ở mục 1.2.2 để lập mô hình cho trường hợp này bằng cách thay thế θ_s bằng θ_m, ω_s bằng ω và lưu ý rằng tốc độ trượt ω_s là bằng không.
Hỡnh 1.15 Sơ ủồ thay thế ðK trong hệ tọa ủộ gắn với rụto e DS = - ω ψ QS e QS = - ω.ψ DS
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 23 dt i d R
ðiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto ðK, nghịch lưu nguồn áp (FOC)
Phương pháp điều khiển vector từ thông roto dựa trên mô hình ĐK trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ, cho phép vector từ thông roto quay với tốc độ đồng bộ Vector từ thông roto nằm ở roto, vì vậy sự biến thiên vị trí của nó phụ thuộc vào tốc độ góc của roto (tốc độ cơ khớp) Hơn nữa, vector từ thông roto chịu ảnh hưởng của dòng điện mạch roto, trong khi hằng số thời gian dòng điện từ của mạch roto (Lr/Rr) thường lớn hơn hằng số thời gian dòng điện từ của mạch stato (Ls/Rs) Điều này cho thấy vector từ thông roto biến thiên (cả về biên độ và vị trí pha) chậm hơn các vector không gian còn lại, lý do khiến nó "tựa" vào vector từ thông roto.
1.3.1 Nguyờn lý ủiều khiển ðể diễn giải phương phỏp, ta hóy vẽ lại H.1.12, trong ủú hệ trục tọa ủộ d, q ủược tựa vào vectơ từ thụng rụto H.1.17 i qs 0 jq
U s i s ω s ψ r d θ sl ω ar θ m θ s γ s α= as i s quỹ đạo
Hình 1.17 ðồ thị véc tơ cho trường hợp hệ trục d, q và véc tơ từ thông rô to i s sd i i = cosγ i s sq i i = cosγ
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, trong đó đề cập đến việc lập tất cả các vectơ từ không gian đều quay với tốc độ đồng bộ Do gốc γ biến thiên rất chậm, các thành phần chiều của vectơ sẽ tương tự như các đại lượng một chiều, điều này cho phép tổng hợp các bộ điều khiển vụ hướng cho từng thành phần một cách hiệu quả.
Bởi vì trục 0d trùng với véc tơ từ thông rôto, nên r rd ψ ψ = và ψ rq = 0 (1.20)
Thành phần dọc trục của dũng ủiện stato i sd trựng phương với vộc tơ từ thụng được gọi là "thành phần dũng ủiện sinh ra từ thụng rụto" Để giữ từ thụng rụto là hằng, chỉ cần điều chỉnh các thông số liên quan.
Dựa theo biểu thức cuối cựng của hệ (3.18), ta viết ủược mụ men ủiện từ
Sao cho ủầu mỳt vộc tơ dũng ủiện stato di chuyển trờn một ủoạn quỹ ủạo vuông góc với trục 0d
Nếu giữ ổn định biên độ volt từ nguồn rời rạc là không đổi và luôn dựa vào trục 0d (bằng các bộ điều chỉnh tương ứng), thì mô men, điện từ của động cơ sẽ tỷ lệ thuận với thành phần dung điện stato chiếu lên trục 0q và iqs được gọi là "thành phần dung điện sinh ra mô men".
Bằng nguyên lý điều khiển trên máy ta có thể "biến đổi" động cơ không đồng bộ lồng sóc về mô hình tương đương với động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 26 i k
Hỡnh 1.18 Sự tương ủồng giữa ðK trong hệ tọa ủộ tựa từ thụng rụto (b) và ủộng cơ một chiều kớch từ ủộc lập (a)
Trong phương pháp này, cần xác định được vị trí gốc của vector từ thông rụt để có thể tựa hệ trục d, q vào đúng hướng Theo H.1.17, ta có công thức: θ s = θ m + θ sl, trong đó sl, m, s là các tham số liên quan đến các góc và tốc độ.
Từ cỏc phương trỡnh từ thụng trong hệ (1.18) cú thể rỳt ra ủược dũng ủiện rôto: qs r
Và do ủú cú thể viết lại ủược hai phương trỡnh ủiện ỏp rụto của (1.18) cho ủộng cơ khụng ủồng bộ rụto lồng súc
M qr r qr r qr sl ds r r
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 27
Bởi vỡ ψ qr = 0và do ủú = 0 dt d ψ qr nờn ta cú ủược hai biểu thức quan trọng sau ủõy ủược tớnh từ hệ (3.22) ds M r r r r L i dt d
Tổng hợp cỏc phõn tớch trờn ủõy, ta cú thể dựng ủược sơ ủồ khối của hệ thống ủiều khiển vộc tơ tựa từ thụng rụto như trờn H.1.19
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 28
Hỡnh 1.19 Sơ ủồ khối hệ thống ủiều khiển vộc tơ tựa từ thụng rụto
UasUbsUcs,, ias ibs ics e j θ sisd isq Ri isq * ψr
+ s θ Cos ( ) Sin ( )+ se θ M Mô hình tính r se *ψ e j θ s ids iqs θ m SP §K
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 29
Sơ đồ khối H.1.19 được chia thành ba phần chính, với phần bên trái chứa các thuật điều khiển được xây dựng trên hệ tọa độ dq gắn với từ thông rỗng Các đại lượng điện cơ là biến thiên chậm (một chiều), cho phép xây dựng các mạch vòng điều khiển đơn biến (SISO) Phần góc trên bên phải là đối tượng điều khiển, bao gồm nghịch lưu và động cơ không đồng bộ (NL – ĐK) Phần góc dưới bên trái là phần đo lường và tính toán các giá trị phản hồi, trong đó thiết bị đo vị trí được kết nối với dây quấn rỗng θ m.
Mạch lực của sơ đồ bao gồm nghịch lưu nguồn áp có điều chế PWM hoặc SVM, cung cấp cho động cơ điện nguồn điện áp ba pha được coi là hình sin: Uas, Ubs.
Mạch điều khiển tốc độ cho đầu ra được xác định bởi giá trị mô men M* và thông qua hệ số mô men km, ta có thể tính giá trị mô men của thành phần dòng điện ngang trục i * sq Mối quan hệ giữa mô men và thành phần dòng điện ngang trục được biểu diễn qua phương trình (1.21) r M sq r m p L.
Thành phần dũng ủiện dọc trục, được sinh ra từ thụng rụto, được xuất ra bởi bộ điều khiển từ thụng Rψ Quan hệ giữa i * sd và ψ * r được biểu diễn bởi phương trình vi phân (1.23) Tần số trượt ω sl * được tính toán theo phương trình (1.24) để đảm bảo tính chính xác của đồ thị H.1.17.
Giá trị từ thông ủặc ủược xác định bởi đặc tính của khâu dẫn từ thông (DTT), đảm bảo động cơ có thể làm việc với tốc độ trên tốc độ định mức, tức là trong vùng giảm từ thông Khi từ thông là không đổi và bằng giá trị định mức thì không cần khâu DTT và cũng có thể không cần bộ điều chỉnh từ thông Rψ Trong trường hợp chung, bộ điều chỉnh từ thông là cần thiết vì từ thông tỷ lệ với thành phần dọc trục của dụng cụ qua một khâu quán tính, với hằng số thời gian quán tính là Tr = Lr/Rr.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 30
1.3.2 Mụ hỡnh tớnh toỏn ước lượng cỏc ủại lượng phản hồi
Các thành phần của vộc tơ dũng ủiện trong hệ trực giao có thể dễ dàng tính toán nếu chúng ta biết giá trị tức thời của dũng ủiện 3 pha.
( ) s ( ) s s ( ) s sq t i t i t i = α sinθ + β cosθ hay j s s s sq sd C e i
Từ thụng rụto cũng cú thể tớnh toỏn ủược nếu ta cộng vào hai vế của cỏc phương trình thứ ba và thứ tư của hệ (1.14) tương ứng với: α s r r
R dt d + + − = cần lưu ý rằng các biểu thức trong dấu ngoặc đơn chính là thành phần dọc trục và ngang trục của vectơ từ thông stato Từ công thức Tr = Lr/Rr, có thể tính được biến độ của vectơ từ thông rụt.
Và các phần tử của ma trận quay C2: r r s r r s ψ θ ψ ψ θ =ψ α ; sin = β cos
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 31 i as i bs i cs
Hỡnh 1.20 Mụ hỡnh dũng ủiện ước lượng tớn hiệu
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 32
1.3.3 Hiệu chỉnh tốc ủộ trượt
Hệ số tớnh toỏn tốc ủộ trượt trong (1.26) là một hàm của tham số mỏy ủiện
Để đảm bảo hiệu quả khi gắn trục 0d vào vọc tơ từ thụng rụto, cần xác định chính xác các tham số phù hợp với máy thực trong điều kiện làm việc cụ thể Đây là một trong những nhược điểm của phương pháp điều khiển vọc tơ tựa từ thông rụto gián tiếp.
Với sơ đồ khối trên H.1.20, chúng ta cần chú ý đến sự thay đổi của ba tham số (LM, Lr, Rr) Ảnh hưởng của bó hũa từ hầu như không làm thay đổi tỉ số LM/Lr, vì điện trở rụt thay đổi sẽ quyết định giá trị của K s trong công thức (1.26).
Hỡnh 1.21 Ảnh hưởng của sự thay ủổi ủiện trở rụto ủến ủộ chớnh xỏc của mụ hỡnh ủiều khiển r r qr dr se , i , i : khi R = R θ r r qr dr se , i ' , i ' : khi R 1 , 5 R
THIẾT LẬP HỆ ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ THÔNG RÔTO ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ
Thiết kế ủiều khiển dũng ủiện trong hệ thống ủiều khiển vộc tơ tựa từ thụng rụto của ủộng cơ khụng ủồng bộ
2.1.1 Mụ hỡnh gần ủỳng của ủộng cơ khụng ủồng bộ trong hệ tọa ủộ d, q tựa từ thông rôto
Trong không gian d, các đại lượng điện từ biến thiên chậm có thể coi là các đại lượng một chiều Đối với hệ thống này, mối quan hệ giữa các đại lượng điện từ được mô tả qua các phương trình như sau: M = ψ = L.i + L.i (2.1) và M = σ.i + L.i + L.i + L.i = 0 (2.2).
Từ ủú cú thể tớnh ủược: rq M r
Từ ủú thấy rằng dũng ủiện rụto trờn trục 0q ngược chiều với dũng ủiện từ húa và do L rσ sinφ = 0,51
Dũng stator ủịnh mức: I 1ủm = 277 A
Momen ủịnh mức: Mủm = 1068 Nm
Momen khởi ủộng ủịnh mức M s = 2,7 ì 1068 = 2883 Nm
Momen tới hạn: M th = 3 × 1068 = 3024Nm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 65
Hỡnh 4.1 Bộ ủiều chỉnh dũng ủiện cú bự sức ủiện ủộng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 66
* Bộ ủiều chỉnh dũng ủiện I sd
Hàm truyền I sd : G I sd Hàm truyền khõu phản hồi dũng ủiện: G Hàm truyền bộ ủiều khiển: G PI
Hỡnh 4.2 Bộ ủiều chỉnh dũng ủiện I sd
* Bộ ủiều chỉnh dũng ủiện I sq
Hàm truyền I sd : G I sq Hàm truyền khõu phản hồi dũng ủiện: G Hàm truyền bộ ủiều khiển: G PI Hỡnh 4.3 Bộ ủiều chỉnh dũng ủiện I sq
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 67
4.3.1 Bộ ủiều chỉnh từ thụng
Hàm truyền từ thông: G Hàm truyền khâu phản hồi: G Hàm truyền bộ ủiều khiển: G PI Hỡnh 4.4 Bộ ủiều chỉnh từ thụng
4.3.2 Mạch vũng ủiều chỉnh tốc ủộ
Hàm truyền tốc ủộ: G Hàm truyền khâu phản hồi: G Hàm truyền bộ ủiều khiển: G PI Hỡnh 4.5 Bộ ủiều chỉnh tốc ủộ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 68
4.3.4 Mô hình mô phỏng tổng quát
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 69
Kết quả mô phỏng
Biên độ từ thông Stator
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 70
Về lý thuyết, dao động momen điện từ có thể được tối ưu hóa nhờ vào kỹ thuật điều khiển sâu, giúp phát huy tối đa ưu thế vector Những hạn chế kỹ thuật như tốc độ xử lý và độ phức tạp của cấu trúc phần công suất đã được khắc phục.
Hình 4.6 đáp ứng của mạch vòng dòng ựiện Isd
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 71
Từ ủồ thị thu ủược ta thấy thời gian ủể Isd ủạt giỏ trị ổn ủịnh là khỏ nhanh 0.012(s), ủỏp ứng ủược yờu cầu ủặt ra
Hình 4.7 đáp ứng của mạch vòng từ thông Nhận xét:
Thời gian ủể từ thụng ổn ủịnh nhanh, ủỏp ứng ủược yờu cầu ủặt ra: t = 0.02(s)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 72