Tài liệu Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: “KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỐNG BỘ ROTOR LỐNG SÒC” Học viên: QUÁCH ĐÀO SƠN Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ------------------------------------- ***** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên : Quách Đào Sơn Lớp : CHTĐH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài : 01/02/2010 Ngày hoàn thành: 01/08/2011 NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Quách Đào Sơn TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC M ỤC L ỤC Trang MỞ ĐẦU ................................................................................ Error! Bookmark not defined.2 1. Tính cấp thiết của đề tài. ..................................................................................................... 2 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ........................................................................... 2 3. Mục đích nghiên cứu. ......................................................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. ................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. MÔ HÌNH LIÊN TỤC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC TRÊN HỆ TỌA ĐỘ CỐ ĐỊNH αβ VÀ HỆ TỌA ĐỘ TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR dq . 5 1.1. Vector không gian và các đại lƣợng ba pha.................................................................... 5 1.2. Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ xoay chiều ba pha ............................................... 16 1.3. Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ toạ độ Stator cố định và hệ toạ độ đồng bộ từ thông ....................................................................... 22 CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC.................................................................................................................. 34 2.1. Khái quát về phƣơng thức mô tả trên không gian trạng thái ......................................... 34 2.3. Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ tựa từ thông Rotor dq ............................................................................................................ 47 CHƢƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH THỜI GIAN GIÁN ĐOẠN ............. 58 3.1. Phƣơng trình đặc trƣng cùng các thông số động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc phục vụ cho việc mô phỏng bằng matlab & simulink .................................................... 58 3.2. Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn tìm đƣợc nhờ gián đoạn hóa mô hình liên tục động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq ............................... 63 3.3 Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq tìm đƣợc bằng phƣơng pháp chuyển hệ tọa độ cho mô hình gián đoạn trên hệ αβ .............................................................................................................................. 84 3.4. Khảo sát ổn định cấu tróc ®éng c¬ theo quü ®¹o ®iÓm cùc ........................................ 103 3.5 . NhËn xÐt……………………………………………………………………………..108 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 10106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 111 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (KĐB-RLS) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn nhƣng vấn đề điều khiển lại gặp rất nhiều khó khăn do động cơ KĐB-RLS là một đối tƣợng phi tuyến phức tạp. Trong những năm gần đây, điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý đã có bƣớc phát triển rất mạnh mẽ, do đó nó cho phép thực hiện phƣơng pháp điều khiển số với khối lƣợng tính toán lớn, và do đó bộ điều khiển động cơ xoay chiều đã dần thay thế bộ điều khiển động cơ một chiều trong phần lớn những ứng dụng công nghiệp. Thực hiện điều khiển số cho động cơ KĐB-RLS đƣợc thực hiện khá thành công trong các tài liệu [1], [3], [6]. Mô hình trạng thái gián đoạn (TTGĐ) là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển (ĐK) thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lƣợng của hệ thống ĐK số (Digital Control) của động cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS). Tuy nhiên các công trình đó đều chƣa xét đến đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS. Do đó, “Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc” là một đề tài mang tính cấp thiết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. a. Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện việc xây dựng và đánh giá mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS, là cơ sở cho việc thiết kế điều khiển số động cơ KĐBRLS b. Ý nghĩa thực tiễn: Khảo sát đặc điểm ổn định mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS và ứng dụng để thiết kế điều khiển số cho hệ truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha KĐB-RLS 3. Mục đích nghiên cứu. - Nghiên cứu mô hình động cơ KĐB-RLS - Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS thích hợp với điều khiển thời gian thực. - Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Mô phỏng và đánh giá kết quả 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Khảo sát phân tích các công trình đã công bố. - Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa thích hợp - Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng. Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, tự động hóa các quá trình sản xuất đƣợc đặt ra nhƣ một bƣớc quyết định để đi đến mục đích cuối cùng là nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm. Truyền động điện là một môn khoa học ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết tự động điều khiển, các tiến bộ của công nghệ vi điện tử và vi tính đã thay đổi hẳn cách nhìn về động cơ thực hiện dùng điện lƣới xoay chiều - nhất là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Công nghệ hiện đại đã làm cho động cơ có tính năng cao hơn, đáp ứng đƣợc đòi hỏi mới của quá trính tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền động. Việc áp dụng kỹ thuật vi xử lý tín hiệu (Digital signal Processor) đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp trong điều kiện thời gian thực với chất lƣợng điều khiển rất cao. Các thuật toán và mô hình đƣợc vi điều khiển xử lý, và chúng chỉ đƣợc tính toán ở các thời điểm gián đoạn. Toàn bộ hệ thống là một hệ trích mẫu. Do đó, ngƣời ta thƣờng ƣu tiên đi tìm các thiết kế gián đoạn cho hệ thống điều chỉnh. Có thể nói, mô hình gián đoạn là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lƣợng của hệ thống điều khiển số sau này. Đây cũng chính là nội dung chính của luận văn này. Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành bản luận văn : “Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc” Nội dung bản luận văn đã giải quyết một số vấn đề sau: + Chƣơng 1. Mô hình liên tục động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ cố định stator và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor. + Chƣơng 2. Mô hình trạng thái gián đoạn thích hợp với điều khiển thời gian thực. + Chƣơng 3. Đặc điểm ổn định của mô hình thời gian gián đoạn. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thời gian và trình độ hạn chế, bản luận văn khó tránh khỏi những sai sót và còn thật nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm – tôi rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cùng các bạn. Cuối cùng một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này Học viên Quách Đào Sơn 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1. MÔ HÌNH LIÊN TỤC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC TRÊN HỆ TỌA ĐỘ CỐ ĐỊNH αβ VÀ HỆ TỌA ĐỘ TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR dq 1.1. Vector không gian và các đại lƣợng ba pha 1.1.1. Xây dựng vector không gian - Hệ toạ độ cố định αβ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần chính: Phần cố định stator và phần quay rotor. Trên stator ngƣời ta đặt các cuộn dây u, v, w lệch nhau một góc 1200 điện. tor có hai loại: Lồng sóc và dây quấn. Để tổng quát, ta xét một động cơ rotor lồng sóc. Khi có điện áp ba pha xoay chiều cấp vào các cuộn dây stator,sẽ tạo ra một từ trƣờng quay, từ trƣờng này sẽ cảm ứng lên rotor một suất điện động cảm ứng, do rotor kín mạch nên sẽ xuất hiện dòng điện chạy trong rotor. Dòng điện này và từ trƣờng quay tác động với nhau sẽ tạo ra một momen làm quay rotor. Động cơ xoay chiều ba pha dù là động cơ đồng bộ hay không đồng bộ đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian tổng quát nhƣ trong hình 1.1: Pha V Pha U Pha W isv isu isw rotor stator Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ xoay chiều ba pha Trong hình trên ta không quan tâm đến việc động cơ đƣợc đấu theo hình sao hay hình tam giác. Ba dòng điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lƣới qua đầu nối vào động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần. Ba dòng điện đó thỏa mãn phƣơng trình: isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 (1.1) Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau: 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn isu (t )  is cos( s t )  o isv (t )  is cos( s t  120 )  o isw (t )  is cos( s t  240 ) (1.2) Về phƣơng diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều ba pha có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120o trong không gian. Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây u của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian sau: is (t) =   o o 2 isu (t )  isv (t )e j120  isw (t )e j 240 = |is| ejγ 3 (1.3) Theo công thức (1.3), vector is (t) là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc ωs = 2πfs và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một góc pha γ = ωst. Trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng vector is (t) đƣợc mô tả trong hình 1.2. Hình 1.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng ba pha Qua hình 1.2 ta dễ dàng thấy đƣợc các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới thu đƣợc lên trục của cuộn dây pha tƣơng ứng. Đối với các đại lƣợng khác của động cơ nhƣ: điện áp, dòng rotor, từ thông stator hoặc từ thông rotor, ta đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng ứng nhƣ đối với dòng điện kể trên. Ngƣời ta đặt tên cho trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là trục β và hãy quan 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn sát hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó. Hai hình chiếu đó đƣợc gọi là hai dòng isα và isβ (hình 1.3). Hình 1.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα và isβ thuộc hệ tọa độ stator cố định Có thể nhận thấy rằng hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin. Nhƣ trong lý thuyết máy điện đã đề cập đến một cách kỹ lƣỡng: ta có thể hình dung ra một động cơ điện tƣơng ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho ba cuộn u, v và w. Điều cần ghi nhớ ở đây là: hệ tọa độ nói trên là hệ tọa độ stator cố định, để phân biệt với các hệ tọa độ quay sẽ đƣợc đề cập đến sau này. Trên cơ sở công thức (1.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của ba cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong số 3 dòng điện stator (ví dụ isu và isv) là đầy đủ thông tin về vector is (t) với các thành phần trong công thức (1.4). Cần ghi nhớ rằng công thức (1.4) chỉ đúng khi trục của cuộn dây pha u đƣợc trọn làm trục quy chiếu chuẩn nhƣ trong hình 1.3. 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn is  isu  1  i  (isu  2isv ) s   3  (1.4) Bằng cách tƣơng tự nhƣ đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator us, dòng rotor ir, từ thông stator ψs hoặc từ thông rotor ψr đều có thể đƣợc biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ tọa độ stator. i s  is  jis  u s  u s  jus  i r  ir  jir   r   r  j r     j s s  s (1.5) Đến đây, trên cơ sở ví dụ dòng stator, chúng ta đã xem lại các khái niệm và quy ƣớc cơ bản trong việc xây dựng vector không gian (cơ học) đối với các đại lƣợng xoay chiều ba pha của động cơ xoay chiều ba pha. Các vector đó đƣợc biểu diễn trên hệ tọa độ stator cố định. Mặt khác, vì một mục đích cụ thể, ta cũng có thể biểu diễn các vector thu đƣợc trên một hệ tọa độ bất kỳ khác thông qua phép chuyển hệ tọa độ đơn giản đƣợc trình bày trong mục tiếp theo. 1.1.2. Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian. Ta xét một hệ tọa độ tổng quát xy. Ngoài ra ta hình dung thêm một hệ tọa độ thứ 2 với các trục x*y*, có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc  * so với hệ xy. Quan sát một vector V bất kỳ ta thu đƣợc: - Trên hệ tọa độ xy: - Trên hệ tọa độ x*y*: Vxy = x + jy (1.6) V* = x* + jy* (1.7) 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.4 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V Từ hình 1.4 ta rút ra kết quả sau:  x*  x cos *  y sin  *  *  y   x sin  *  y cos * (1.8) Thay (1.8) vào (1.7) ta có: V* = (x cos  * + y sin  * ) + j (y cos  * - x sin  * ) = (x + jy) (cos  * - j sin  * ) = Vxy e  j * (1.9) Một cách tổng quát ta thu đƣợc từ (1.9) công thức chuyển hệ tọa độ nhƣ sau: Vxy = V* e  j * ↔ V* = Vxy e  j * (1.10) Đến đây, hai hệ tọa độ xy và x*y* đƣợc coi là hai hệ tọa độ cố định, hay nói cách khác: góc lệch  * đƣợc coi là không đổi. Trên thực tế,  * có thể là một góc biến thiên với tốc độ góc ω* = d  * /dt, trong trƣờng hợp ấy, hệ tọa độ x*y* là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ góc ω* xung quanh điểm gốc tọa độ của hệ xy. 1.1.3. Hệ toạ độ quay dq Bây giờ ta quay trở lại với vector dòng stator mà ta đã xét trên hình 1.3, trong đó hệ tọa độ stator (hoặc hệ tọa độ αβ) tƣơng ứng với hệ xy trong hình 1.4. Giả sử ta quan sát một động cơ xoay chiều ba pha đang quay với tốc độ góc 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ω = d  /dt, trong đó  là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (đã quy ƣớc là trục đi qua tâm cuộn dây pha u). Hình 1.5 mô tả quan sát kể trên, trong hình đó còn biểu diễn cả hai vector dòng stator is và từ thông rotor ψr với môdul và góc pha bất kỳ nào đó. Vector từ thông rotor ψr quay với tốc độ góc ωs = 2πfs = d S /dt, trong đó fs là tần số mạch điện stator. Hình 1.5 Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq Ta có thể nhận thấy trên hình 1.5, đối với trƣờng hợp động cơ xoay chiều ba pha là động cơ đồng bộ thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục của rotor, dù động cơ đồng bộ đó là loại kích thích ngoài hay kích thích vĩnh cửu. Trong trƣờng hợp ấy ta có ω = ωs. Nếu động cơ xoay chiều ba pha là động cơ không đồng bộ thì sự chênh lệch giữa ω và ωs (giả thiết số đôi cực là 1) sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f r, dòng điện đó cũng có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng vector ir quay với tốc độ góc ωr = 2πfr. Nếu ta xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hƣớng trùng với hƣớng của vector ψr và gốc tọa độ trùng với gốc của hệ αβ (hình 1.5) và đặt tên cho các trục của hệ mới là d và q, ta dễ dàng thấy rằng hệ tọa độ mới định nghĩa là một hệ quay xung quanh 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn điểm gốc chung với tốc độ góc ωs và vector is có các phần tử mới là isd, isq. Để dễ nhận biết xem vector đang đƣợc quan sát trên hệ tọa độ nào, ta quy ƣớc thêm hai chỉ số mới đƣợc viết bên tay phải trên cao: f (thay cho field coordinates hoặc tọa độ dq) và s (thay cho stator coordinates hoặc hệ tọa độ αβ). Ví dụ: - iss : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ αβ. - ifs : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq. Từ đó ta có: i ss  is  jis  f i s  isd  jisq (1.11) Nếu biết góc  s ta có thể dễ dàng tính đƣợc ifs bằng công thức (1.10): ifs = iss e  js (1.12) hoặc một cách chi tiết hơn: isd  is sin s  is coss  isq  is coss  is sin s (1.13) Trong đó iss cũng nhƣ các phần tử isα, isβ đã đƣợc tính bằng phƣơng trình (1.4) trên cơ sở các dòng pha đo đƣợc isu, isv. Toàn bộ quá trình các diễn giải ở trên đƣợc tổng kết lại một cách đầy đủ trong hình 1.6. 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.6 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (còn gọi là hệ tọa độ dq) Một ƣu điểm có thể nhận thấy của hệ tọa độ mới là ở chỗ, do các vector is và ψr cũng nhƣ bản thân hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ góc ωs quanh điểm gốc, các phần tử của vector (ví dụ isd, isq) là các đại lƣợng một chiều. Mặt khác, trên cơ sở hình 1.6 ta có thể nhận thấy ngay khó khăn thực tiễn của việc tính isd và isq là việc tính góc s . Trong trƣờng hợp động cơ đồng bộ, góc đó đƣợc xác định một cách dễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng quay (máy phát xung kèm vạch 0, resolver). Trong trƣờng hợp động cơ không đồng bộ, góc s đƣợc tạo nên bởi tốc độ góc ωs = ω + ωr, trong đó chỉ có ω là có thể đo đƣợc. Ngƣợc lại, ωr = 2πfr với fr là tần số của mạch rotor ta chƣa biết. Vậy phƣơng pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng đƣợc phƣơng pháp tính ωr một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển/điều chỉnh kiểu tựa theo từ thông rotor (viết tắt: T4R). Một cách tƣơng tự nhƣ đối với vector dòng stator, ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ tọa độ dq: u sf  u sd  ju sq  f i r  ird  jirq  f  r   rd  j rq  f  s   sd  j sq (1.14) Ta có thể dễ dàng nhận thấy trong hệ phƣơng trình (1.14) có ψrq = 0 do trục q đứng vuông góc với bản thân vector ψr. Tuy nhiên, trên thực tế ta rất khó tính đƣợc tuyệt đối chính xác góc s , do đó ta vẫn giữ ψrq để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát. 1.1.4. Khái quát ƣu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha trên hệ toạ độ từ thông Trƣớc khi đi vào với các ƣu thế của phƣơng pháp mô tả mới, ta sẽ điểm qua lại tính chất của hệ truyền động điện một chiều, cụ thể là động cơ một chiều có kích thích độc lập với sơ đồ cơ bản nhƣ trong hình 1.7. 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.7 Sơ đồ cơ bản của động cơ điện một chiều có kích thích độc lập Ta hãy xét hai phƣơng trình sau đây của động cơ một chiều: mM  k1 M iM   M  k2ik (1.15) Trong đó: mM mômen quay của động cơ ψM từ thông động cơ iM dòng phần ứng ik dòng kích thích k1, k2 các hằng số động cơ Phƣơng trình (1.15) cho thấy rất rõ ràng rằng từ thông động cơ ψM chỉ phụ thuộc vào dòng kích thích ik. Nói cách khác, bằng dòng ik ta có thể điều khiển/điều chỉnh và khống chế đƣợc ψM một cách dễ dàng, chắc chắn. Thông thƣờng, trong phạm vi giải tốc độ quay bé hơn tốc độ quay danh định, ψM đƣợc giữ ổn định ở giá trị danh định. Ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ danh định, tùy thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt ψM bằng cách giảm ik để giữ cho sức từ động cảm ứng khỏi quá lớn. Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của động cơ, do từ thông đã đƣợc điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi, mômen quay mM trong phƣơng trình (1.15) tỷ lệ thuận với dòng phần ứng iM. Tóm lại, với động cơ một chiều kích thích độc lập ta có: ψM ~ ik và mM ~ iM Hai dòng ik và iM có thể đƣợc sử dụng trực tiếp làm đại lƣợng điều khiển cho từ thông và mômen quay động cơ, nếu nhƣ ta thành công trong việc áp đặt nhanh hai dòng điện đó. Đến đây ta có thể trả lời ngay đƣợc vấn đề trên: do cấu trúc đơn giản của mạch 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn kích từ và mạch phần ứng, việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là vấn đề dễ dàng và đã đƣợc giải quyết từ lâu. Quay trở lại với động cơ xoay chiều ba pha, ở đây không còn tồn tại các tƣơng quan minh bạch (dòng ~ từ thông, dòng ~ mômen) nhƣ trên nữa, ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và các đại lƣợng điện ba pha phức tạp. Bởi vậy, phƣơng pháp mô tả động cơ xoay chiều ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor là phép mô tả dẫn tới các tƣơng quan giống nhƣ đối với động cơ một chiều, nhằm đạt đƣợc các tính năng điều khiển/điều chỉnh tƣơng tự với động cơ một chiều. Để làm rõ ƣu thế của phƣơng pháp mô tả T4R, ta sẽ đi đến ngay các công thức cuối cùng của cả hai loại động cơ (động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ) kèm theo cấu trúc điều khiển hệ thống đã đƣợc đơn giản hóa. a, Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc Sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lƣợng dòng, áp, từ thông động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq) ta thu đƣợc các quan hệ đơn giản sau đây giữa mômen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng stator: Lm    isd rd  1  pTr   m  3 Lm p  i  M 2 Lr c rd sq (1.16) Với: Ψrd phần tử d của vector từ thông rotor (môdul của vector) isd, isq phần tử d và q của vector dòng stator mM mômen quay của động cơ Lr, Lm điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor pc số đôi cực của động cơ Tr hằng số thời gian của rotor p toán tử Laplace Phƣơng trình (1.16) cho thấy từ thông rotor có thể đƣợc tăng giảm gián tiếp thông qua tăng giảm isd, điều đáng lƣu ý là quan hệ giữa hai đại lƣợng là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd, ta 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn có thể coi isd là đại lƣợng điều khiển của từ thông rotor. Ngƣời ta gọi isd là dòng kích từ và do đó giữ vai trò tƣơng tự nhƣ ik trong (1.15) đối với động cơ một chiều. Nếu bằng isd thành công trong việc điều chỉnh ổn định ψrd tại mọi điểm công tác của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isq, theo (1.16) có thể coi isq là đại lƣợng điều khiển của mômen động cơ. Do đó isq đƣợc gọi là dòng tạo mômen quay và giữ vai trò tƣơng tự nhƣ iM trong (1.15) đối với động cơ một chiều. Với các đặc tính vừa nêu ta xây dựng đƣợc cấu trúc điều khiển hệ thống nhƣ hình 1.8. Hình 1.8 Cấu trúc hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha đơn giản trên cơ sở phương pháp T4R Trên cơ sở các tính năng lý tƣởng mà đến nay ta luôn giả thiết cho bộ điều chỉnh dòng,ta đã thu đƣợc một cấu trúc hệ thống điều chỉnh hoàn toàn giống nhƣ các hệ thống TĐĐMC, các tính toán thiết kế các bộ điều chỉnh tốc độ vòng quay và điều chỉnh vị trí-hoặc điều chỉnh góc cũng tƣơng tự. Điểm khác biệt là cách thực hiện bộ điều chỉnh dòng,ta không nghiên cứu ở đây. Với cách quan sát mới ta không còn quan tâm đến từng dòng pha riêng lẻ nữa,mà là toàn bộ vector: tại từng điểm làm việc của động cơ, vector i s phải cung cấp hai thành phần thích hợp: isd để điều khiển từ thông rotor và isq để sản sinh mômen quay nhƣ bộ điều chỉnh tốc độ vòng quay đòi hỏi. Chúng ta để ý thì sẽ thấy trong hình 1.8 còn thiếu một bộ điều chỉnh từ thông. Do tính chất trễ của quan hệ  rd ~ isd cần phải có khâu điều chỉnh từ thông để gia tốc thêm cho các quá trính từ hóa bên trong động cơ. 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn b, Động cơ đồng bộ ba pha có kích thích vĩnh cửu Trong thực tế còn sử dụng loại đồng cơ đồng bộ có kích thích ngoài. Đặc tính chung của cả hai loại động cơ là từ thông rotor ψp có bố trí phân cực rõ ràng. Trên hệ tọa độ dq ta có phƣơng trình mômen quay sau: mM    3 pc  pisq  isd isq Lsd  Lsq  2 (1.17) Với: Ψp từ thông rotor vĩnh cửu Lsd điện cảm stator dọc theo trục d Lsq điện cảm stator dọc theo trục q (vuông góc với trục d) Do kích thích vĩnh cửu, vector is không cần chứa thành phần kích từ isd (isd = 0) mà chỉ cần chứa thành phần sản sinh mômen quay isq. Điều này có nghĩa vector is phải vuông góc với vector từ thông rotor. Tóm lại, từ phƣơng trình (1.17) ta thu đƣợc (1.18): mM  3 pc p isq 2 (1.18) Ta có thể thấy hệ thống trong hình 1.8 thích hợp cho cả động cơ đồng bộ, để sử dụng hệ thống đó ta chỉ cần đặt giá trị i*sd = 0. 1.2. Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ xoay chiều ba pha Trƣớc khi đến với các phƣơng trình cơ bản của động cơ, ta đƣa ra một số quy ƣớc sau sẽ đƣợc sử dụng trong các mục sắp tới: - Trục chuẩn của mọi quan sát đƣợc quy ƣớc là trục đi qua tâm trục cuộn dây pha u (hình 1.9). - Chỉ số viết nhỏ, ở góc phải phía trên: f: đại lƣợng quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq) s: đại lƣợng quan sát trên hệ tọa độ stator (tọa độ αβ) r: đại lƣợng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor (xem hình 1.5) - Chỉ số viết nhỏ, ở góc phải phía dƣới: + Chữ cái đầu: s: đại lƣợng của mạch stator r: đại lƣợng của mạch rotor + Chữ cái thứ hai: 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn d, q: phần tử thuộc hệ tọa độ dq α, β: phần tử thuộc hệ tọa độ αβ u v w: đại lƣợng thuộc pha u v w - Đại lƣợng có gạch dƣới: Chữ to: ma trận Chữ nhỏ: vector Ví dụ: ufs vector điện áp stator đƣợc quan sát trên hệ tọa độ dq usd phần tử d của vector điện áp stator isα phần tử α của vector dòng stator As ma trận A thuộc hệ tọa độ αβ Ψsu từ thông stator của cuộn dây pha u Ta sẽ xây dựng hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhƣ dƣới đây. 1.2.1. Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn