Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha
Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo được thể hiện dưới hình 1.1
1-Lõi thép Stator, 2-Dây quấn Stator, 3-Nắp máy, 4-Ổ bi, 5-Trục máy, 6-Hộp dầu cực 7-Lõi thép Rotor, 8-Thân máy, 9-Quạt làm mát, 10- Hộp quạt
Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy
Lõi thép Stator có hình trụ, được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với rãnh dập bên trong, ghép lại thành các rãnh dài theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào vỏ máy để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dây quấn Stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và được quấn trên các rãnh của lõi thép
Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha sẽ tạo nên từ trường quay
Hình 1.1 -Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Vỏ máy có thân và nắp máy thường được làm bằng gang
Rotor là bộ phận quay của động cơ, bao gồm lõi thép, dây quấn và trục máy Lõi thép của rotor được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật diện lấy từ lõi thép stator, được ghép lại với nhau Mặt ngoài của rotor có dập rãnh để lắp đặt dây quấn, trong khi giữa lõi có dập lỗ để gắn trục máy.
Trục của máy động cơ không đồng bộ được chế tạo từ thép và kết nối với rotor Rotor có hai loại chính: rotor ngắn mạch, hay còn gọi là rotor lồng sóc, và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc được cấu tạo từ các thanh đồng hoặc nhôm nằm trong rãnh, nối với nhau bằng hai vành ngắn mạch ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor thường được đúc nguyên khối, bao gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Trong khi đó, các động cơ có công suất trên 100kW sử dụng thanh dẫn bằng đồng, được đặt vào rãnh của rotor và được cố định bằng hai vành ngắn mạch.
Rotor dây quấn được thiết kế với dây quấn tương tự như dây quấn ba pha trên stator, với số cực từ tương ứng Kiểu dây quấn này luôn được đấu theo hình sao (Y) và có ba đầu ra kết nối vào ba vành trượt gắn trên trục quay của rotor, đồng thời được cách điện với trục Ba trổi than cố định luôn tiếp xúc với vành trượt để dẫn điện vào một biến trở bên ngoài động cơ, giúp khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
Hình 1.1-Cấu tạo Stator động cơ không đồng bộ
Hình 1.2-Rotor lồng sóc động cơ không động bộ
Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau
Trong không gian ba cuộn dây tạo ra một từ trường quay, khi đặt các thanh dẫn điện trong từ trường này, nó sẽ quét qua và sinh ra sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn Khi các thanh dẫn được nối với nhau và gắn vào một trục quay, dòng điện (ngắn mạch) sẽ xuất hiện với chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Đồng thời, từ trường quay tác động lên dòng điện cảm ứng, tạo ra một lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái, từ đó tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường Khi roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường, hiện tượng cảm ứng sẽ ngừng lại, dẫn đến việc không còn dòng điện cảm ứng và momen quay Tuy nhiên, momen cản khiến roto quay chậm lại, tạo điều kiện cho từ trường quét qua các dây dẫn, từ đó dòng điện cảm ứng xuất hiện trở lại Điều này tạo ra momen quay, giúp roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn Nguyên lý hoạt động này được áp dụng trong động cơ không đồng bộ hay động cơ xoay chiều.
Hình 1.3- Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Tốc độ từ trường quay được ký hiệu là ωo (rad/s) hoặc no (vòng/phút), trong khi tốc độ quay của roto là ω (hay n) luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay, tức là ω < ωo và n < no Sai lệch giữa hai tốc độ này được gọi là độ trượt s, được tính bằng công thức s = ωo - ω.
= = (1.5) f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato
Tốc độ ωo là tốc độ tối đa mà roto có thể đạt được khi không bị lực cản, được gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ Trong chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị từ 0 đến 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng của roto là dòng điện xoay chiều, với tần số được xác định bởi tốc độ tương đối của roto so với từ trường quay.
Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
Phương trình đặc tính cơ:
Theo lý thuyết máy điện, khi xem xét động cơ và lưới điện là lý tưởng với ba pha động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không thay đổi, tổng trở mạch từ hóa ổn định, và bỏ qua tổn thất ma sát cũng như tổn thất trong lõi thép, sơ đồ thay thế một pha của động cơ sẽ được thể hiện như hình vẽ 1-5.
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
Ià, I1, I ’ 2 – dũng điện từ húa, dũng điện stato và dũng điện roto đó quy đổi về stato (A)
Xà, X1, X ’ 2 – điện khỏng mạch từ húa, điện khỏng stato và điện khỏng roto đó quy đổi về stato (Ω)
Rà, R1, R ’ 2 – điện trở tỏc dụng mạch từ húa, mạch stato và mạch roto đó quy đổi về stato (Ω)
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X ’ 2
Hình 1.4- Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Đường đặc tính cơ:
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của
M Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó: dM 0 ds = (1.8)
Giải phương trình ta có:
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth và
Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+)
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha KDB được thể hiện qua một đường cong phức tạp với hai đoạn chính là AK và BK, phân tách bởi điểm tới hạn K Đoạn AK có hình dạng gần thẳng và cứng, trong đó momen động cơ tăng khi tốc độ giảm, tạo ra sự ổn định cho động cơ khi hoạt động Ngược lại, đoạn BK có độ dốc dương và thể hiện sự không ổn định, với điểm B tương ứng với tốc độ ω = 0 (s = 1) và momen mở máy.
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều với dây quấn stato nhận điện từ lưới và dây quấn rôto được nối ngắn mạch Dòng điện trong dây quấn rôto được cảm ứng từ dây quấn stato, với tần số phụ thuộc vào tốc độ góc rôto So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về cấu tạo, giá thành, độ tin cậy và sự chắc chắn, nhưng lại gặp khó khăn trong việc mở máy và kiểm soát quá trình quá độ Gần đây, nhờ vào sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý, khả năng sử dụng động cơ không đồng bộ đã được cải thiện, cho phép điều chỉnh tốc độ tự động với độ chính xác cao Đặc biệt, động cơ không đồng bộ 3 pha, hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rôto khác với tốc độ từ trường quay, được ưa chuộng trong sản xuất và sinh hoạt nhờ vào thiết kế đơn giản, chi phí thấp, độ tin cậy cao, hiệu suất tốt và gần như không cần bảo trì, với dải công suất rất rộng.
Các chi tiết chính của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc như hình:
01-Thân động cơ 10-Cánh quạt gió ngoài
02-Trục động cơ 11-Nắp ổ lăn ngoài sau
03-Nắp ổ lăn ngoài trước 12-Nắp che quạt gió
04-Năp trước 13-Thân hộp cực
05-Móc cẩu 14-Nắp hộp cực
06-Cum lõi thép STATO 15-Ống ra dây
07-Cụm lõi thép RÔTO 16-Then đầu trục
08-Nắp sau 17-Vít tiếp địa
Hình ảnh về rotor lồng sóc:
Lá thép của rotor và stator:
Hình 1.6- Cấu tạo chính của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc
Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên gọi là "lồng sóc") :
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đfồng bộ
Ta có từ phương trình momen của động cơ :
= ta có thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp
• Điều khiển điện áp stator
Động cơ không đồng bộ có momen tỷ lệ với bình phương điện áp stato, cho phép điều chỉnh momen và tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stato trong khi giữ tần số không đổi Phương pháp này đơn giản, chỉ cần một bộ biến đổi điện năng như biến áp hoặc triristor để điều chỉnh điện áp vào cuộn stator Mặc dù kinh tế, nhưng đặc tính cơ học đạt được không tốt, phù hợp với các phụ tải như máy bơm và quạt gió.
• Điều khiển điện trở roto
Trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió và bơm nước, việc điều khiển tốc độ động cơ có thể thực hiện bằng cách sử dụng tiếp điểm hoặc transistor để ngắn mạch hoặc hở mạch điện trở phụ của roto Phương pháp này có ưu điểm là mạch điện an toàn và chi phí thấp Tuy nhiên, nhược điểm của nó là đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp và vùng điều chỉnh không rộng.
• Điều chỉnh công suất trượt
Trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, việc làm mềm đặc tính và duy trì tốc độ không tải lý tưởng dẫn đến công suất trượt ps= pđt bị tiêu tán trên điện trở mạch roto Tại các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này trở nên đáng kể Do đó, để vừa điều chỉnh tốc độ truyền động điện hiệu quả, vừa tận dụng công suất trượt, người ta thường áp dụng các sơ đồ công suất trượt, bao gồm sơ đồ nối tầng và nối cấp.
Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng
Khi điều chỉnh với 1 (s < 0), việc điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng ps vào) được thực hiện, còn được gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ giữa hai nguồn cung cấp.
Khi tái sử dụng năng lượng Ps để tạo ra Pcơ, phương pháp này được gọi là truyền động nối cấp cơ Tuy nhiên, phương pháp này không được ưa chuộng vì khi tỷ lệ giảm xuống còn 1/3, Ps chỉ đạt khoảng 2/3 công suất của động cơ một chiều, gần bằng với động cơ chính xoay chiều Do đó, việc điều chỉnh xuống không được khuyến khích và trong thực tế, phương pháp này ít được sử dụng.
• Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator
Khi điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ, cần phải cân nhắc điều chỉnh điện áp, dòng điện và từ thông trong mạch stator, vì các yếu tố như trở kháng, từ thông và dòng điện của động cơ sẽ bị thay đổi.
Luật điều chỉnh tần số - điện áp trong hệ thống điều khiển điện áp/tần số đảm bảo sức điện động stator của động cơ được điều chỉnh tỷ lệ với tần số, nhằm duy trì từ thông khe hở không đổi Động cơ có khả năng sinh momen đồng nhất ở mọi tần số định mức, cho phép điều chỉnh tốc độ trong hai vùng khác nhau.
+ vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số
+ vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ giảm theo tốc độ
Để đảm bảo các chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ quá tải dòng, cần điều chỉnh cả điện áp Đối với biến tần nguồn áp, yêu cầu giữ khả năng quá tải về mô-men không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ là rất quan trọng.
Us = fs (1+x/2) với x phụ thuộc tải.khi x = 0 (Mc = const,ví dụ cơ cấu nâng hạ )thì luật điều chỉnh us/fs không đổi
Trong chế độ định mức, từ thông được xem là định mức, trong khi mạch từ là tối đa Luật điều chỉnh tần số - điện áp yêu cầu giữ từ thông gần như không đổi trên toàn dải điều chỉnh Tuy nhiên, từ thông của động cơ còn phụ thuộc vào độ trượt s và momen tải trên trục động cơ Do đó, trong các hệ điều chỉnh chất lượng cao, cần tìm cách bù từ thông Phương pháp này gặp khó khăn vì mỗi động cơ cần có một cảm biến, điều này không phù hợp cho sản xuất đại trà và các cơ cấu này thường bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông roto mà không cần cảm biến tốc độ
- Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện:
Phương pháp điều chỉnh sử dụng biến tần nguồn dòng mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng tăng công suất đơn vị máy và thiết kế mạch lực đơn giản, đồng thời cho phép hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu cần phải là nguồn dòng điện, nghĩa là dòng điện này không phụ thuộc vào tải mà chỉ dựa vào tín hiệu điều khiển Để tạo ra nguồn điện một chiều, thường áp dụng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều với bộ điều chỉnh dòng điện theo cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), kết hợp với mạch lọc có điện kháng tuyến tính với trị số điện cảm lớn.
- Điều chỉnh tần số - dòng điện:
Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp
- Điều chỉnh vectơ dòng điện:
Hệ thống biến tần nguồn dòng có khả năng điều chỉnh từ thông thông qua việc thay đổi vị trí vectơ dòng điện không gian, tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp Tuy nhiên, điểm khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng, dòng điện được duy trì liên tục và việc chuyển mạch của các van có sự phụ thuộc lẫn nhau.
- Điều khiển trực tiếp mômen
Ra đời vào năm 1997, phương pháp này đáp ứng nhanh chóng nhờ vào việc chú trọng thay đổi s mà không làm biến đổi r, do quán tính cơ của r khiến nó không thể thay đổi nhanh Phương pháp không điều khiển theo quá trình mà dựa trên điểm làm việc, khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto, vốn có cấu trúc phức tạp, chi phí cao và độ tin cậy thấp Hiện nay, với sự phát triển của vi mạch tích hợp cao và độ chính xác cao, việc đo dòng điện qua cảm biến đã giảm thiểu độ trễ, mặc dù vẫn còn tồn tại vấn đề về đáp ứng momen chậm (khoảng 10 ms) và ảnh hưởng của bão hòa mạch từ tới Rs lớn.
Kết luận, trong hệ thống truyền động điều khiển tần số, việc áp dụng phương pháp điều khiển theo từ thông rotor mang lại đặc tính tĩnh và động ưu việt cho động cơ.
XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC
Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 3 pha
Đối với hệ truyền động điện hoàn toàn số hoá, phương pháp điều chế vectơ không gian được sử dụng để điều khiển biến tần Khâu điều khiển biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối thiết bị điều khiển số với khâu chấp hành Do đó, việc mô tả động cơ thông qua các phương trình toán học là cần thiết.
Quy ước: A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator
+ Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc
+ Mạch từ chưa bão hoà
+ Khe hở không khí đồng đều
+ Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3)
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:
+ Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator
+ k là từ thông cuộn dây thứ k k=Lkjij Nếu i=k: tự cảm, jk: hỗ cảm
Ví dụ:a =L a ai a+L abi b+L aci c+L aAi A+L aBi B+L aCi C
Vì ba pha đối xứng nên :
Ra =Rb =Rc = Rs , RA =RB =RC =Rr
L aa =L bb =L cc =L s1 , L AA =L BB =L CC =L r1
L ab =L ba =L bc =-M s , L AC =L BC =L AB =-M r d dt
L aA = L bB =L cC =L Aa = L Bb =L Cc =Mcos
L aB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac = Mcos(+2/3)
LaB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac = Mcos(+2/3)
L aC =L bA =L cB =L Ca = L Ab =L Bc = Mcos( -2/3)
Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay phụ thuộc thời gian:
Kết luận: Mô tả toán học có thể trở nên phức tạp, do đó cần được đơn giản hóa Vào năm 1959, Kôvacs từ Liên Xô đã đề xuất phép biến đổi tuyến tính trong không gian vectơ, trong khi Park từ Mỹ giới thiệu phép biến đổi d, q.
Phép biến đổi tuyến tính không gian vector
Trong máy điện ba pha, việc chuyển đổi các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian là rất quan trọng Để thực hiện điều này, ta cần cắt mặt phẳng của mô tơ theo hướng vuông góc với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng Trong đó, trục thực của mặt phẳng phức được chọn trùng với trục pha a.
Véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic được tổng hợp và biểu diễn bằng một véc tơ quay tròn is Điều này thể hiện véc tơ không gian của dòng điện stator.
Hình 2.1- Tương quan giữa hệ toạ độ và toạ độ ba pha a,b,c
Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: is,is
Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thành nghiên cứu 4 phương trình
Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) sang 2 pha (α, β) được gọi là phép biến đổi thuận, trong khi phép biến đổi từ 2 pha trở lại 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược Khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ với tốc độ quay ωk, quá trình này diễn ra một cách đơn giản và hiệu quả.
+ Nếu k=0, 0=0 :đó là phép biến đổi với hệ trục , (biến đổi tĩnh)
+ Nếu k=1, 0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phương trình cho x trùng r để ry=0): phép biến đổi d,q
+ Nếu k= 1 - =r : hệ toạ độ cố định , đối với rôto (ít dùng)
Hình 2.2- Cuộn dây 3 pha nhìn trên i s a.i b a 2 i c
Hình 2.3 Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ
Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ: a,b,c → :
→ d,q isd = iscos + issin isq = iscos - issin
i s i s i sq i sd pha B pha A hướng trục rôto
Hình 2.4- Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ d,q → is = isdcos - isqsin is = isdsin + isqcos
Mô hình hóa
• Chỉ số bên phải trên cao:
+ 𝑓 đại lượng mô tả hệ tọa độ tựa theo từ thông
+ 𝑠 đại lượng mô tả trên hệ toa độ 𝛼𝛽, cố định với stator
+ 𝑟 đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với roto
• Chỉ số bên phải, phía dưới
+ 𝑑, 𝑞 các thành phần thuộc hệ tọa độ 𝑑𝑞
+ 𝛼, 𝛽 các thành phần thuộc hệ tọa độ
• Các đại lượng viết đậm: vector (chữ thường), ma trận (chữ hoa)
2.3.2 Các phương trình của động cơ
• Công thức chuyển hệ tọa độ
Hãy tưởng tượng một hệ tọa độ mới đang quay với vận tốc góc 𝜔 𝑘 Việc chuyển đổi các đại lượng giữa hệ tọa độ mới và hệ thống của cuộn dây được thực hiện theo một quy trình nhất định.
• Phương trình điện áp stator
𝑑𝑡 Trong đó 𝑅 𝑠 : điện trở stator; 𝜓 𝑠 𝑠 : từ thông stator
Chuyển sang hệ toa độ d,q (tựa theo từ thông roto) Ta thay 𝜔 𝑘 = 𝜔 𝑠 là tốc độ góc của vecto thuộc mạch điện stator và của vecto tư thông roto u s f = R s i s f +dψ s f dt + jω s ψ s f
• Phương trình điện áp roto
𝑑𝑡 Trong đó 𝑅 𝑟 : điện trở roto; 𝜓 𝑟 𝑟 : từ thông roto; 0: vector rỗng
Chuyển sang hệ tọa độ d,q Ta thay 𝜔 𝑘 = 𝜔 𝑠 − 𝜔 = 𝜔 𝑟 là tốc độ trượt tương đối của roto
Trong đó 𝐿 𝑚 : hỗ cảm; 𝐿 𝑠 , 𝐿 𝑟 : điện cảm phía stator, phía roto
𝐿 𝜎𝑠 , 𝐿 𝜎𝑟 : điện cảm tản phía stator, phía roto
• Phương trình mô men quay
2.3.3 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ trên tọa độ d,q
Ta tìm cách loại bỏ dòng roto và từ thông stator ra khỏi hệ phương trình và thu được:
𝜎𝑇 𝑟 Khi tựa theo hướng từ thông rotor ta có thể đặt 𝜓 𝑟𝑞 = 0
Hình 2.5-Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trên tọa d, q
Các tham số động cơ cần tính là 𝑇 𝑟 , 𝑇 𝑠 , 𝜎, 𝑇 𝜎
STT Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
1 Công suất định mức Pđm 2,2 kW
2 Tốc độ định mức 875 rpm
3 Hệ số mô men tới hạn Mth/Mđm 2,8
4 Hệ số mô men khởi động Mkđ/Mđm 2,8
5 Hệ số công suất định mức cosϕ 0,7
6 Dòng điện stator định mức I1đm 7,2 A
7 Điện trở 1 pha stator 3,6 Ohm
8 Điện kháng 1 pha stator 2,58 Ohm
9 Dòng điện rotor định mức (đã qui đổi) 4,5 A
10 Điện trở 1 pha rotor (đã qui đổi) 5,7 Ohm
11 Điện kháng 1 pha rotor (đã qui đổi) 2,63 Ohm
12 Mô men quán tính 0,0275 kgm2
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Cấu trúc điều khiển
Ta có cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động theo phương pháp FOC như sau:
Trong khối 1, từ thông được xác định bởi tốc độ đặt 𝑤 ∗, với vùng tốc độ danh định [−𝑤 đ𝑚 , 𝑤 đ𝑚 ] giữ từ thông ổn định Khi vượt ra ngoài vùng này, từ thông cần được điều chỉnh giảm theo đường hyperbol để ngăn chặn sự tăng vọt điện áp, được tính bằng công thức E = k w Mục tiêu là điều khiển động cơ trong dải tốc độ danh định, nhằm tối ưu hóa momen quay.
• Khối 2: Bộ điều chỉnh từ thông R làm việc với đặc tính bão hòa
• Khối 3: Bộ điều chỉnh tốc độ R w cũng làm việc với đặc tính bão hòa
Bộ điều chỉnh dòng điện ở khối 4 hoạt động độc lập với nhau, cho phép đáp ứng dòng điện nhanh chóng hơn so với tốc độ quay và từ thông.
Hình 3.1-Cấu trúc điều khiển tựa từ thông Rotor-FOC
Khối 5+8 đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi tọa độ giữa hệ trục dq và αβ Để thực hiện quá trình chuyển đổi này, cần xác định đại lượng góc lệch θs của hệ tọa độ tựa theo từ thông của roto.
• Khối 6: Khối điều chế điện áp theo phương pháp SVM
• Khối 7: Mô hình từ thông, tính toán góc lệch θs và trị từ thông rd
• Khối 9: Khâu chuyển tọa độ, chuyển các tọa độ từ hệ abc sang αβ.
Thiết kế mạch vòng dòng điện
Khi coi 2 nhánh d,q là độc lập so với nhau, ta có phương trình mô tả động cơ như sau:
. sd s sd s sd sd sq s sq s sq sq u R i s L i u u R i s L i u
Trong thực tế, mạch vòng dòng điện có khả năng đáp ứng nhanh hơn so với mạch vòng tốc độ và mạch vòng từ thông Điều này cho phép chúng ta thiết lập một cấu trúc điều khiển độc lập, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
𝐾 𝑏đ là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi: K bd =1Hình 3.2-Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện
Theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu, 𝑅 𝑖𝑠𝑑 và 𝑅 𝑖𝑠𝑞 có dạng PI:
Khi đó hàm ta có hàm truyền kín của khâu điều chỉnh mạch vòng dòng điện như sau:
Thiết kế bộ điều chỉnh từ thông
Xấp xỉ hàm truyền kín của khâu điều chỉnh mạch vòng dòng điện về dạng quán tính bậc nhất ta có:
+Khi đó ta có cấu trúc vòng điều khiển từ thông như sau:
Cấu trúc của vòng điều chỉnh từ thông tương tự như vòng điều chỉnh dòng điện, dẫn đến việc bộ điều khiển từ thông được thiết kế theo tiêu chuẩn mô đun đối xứng với dạng khâu PI.
Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ
Sơ đồ cấu trúc vòng điều chỉnh từ thông:
+ là hàm truyền đo tốc độ, K =1 và T =1.10 − 4
