Tài liệu Nghiên cứu, vận hành hệ thống biến tần S120

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 12-2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chủ nhiệm bộ môn Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Lớp MSSV : PGS.TS. Trần Trọng Minh : PGS.TS. Nguyễn Quang Địch : Nguyễn Thọ Vũ : ĐK&TĐH 05 - K56 : 20112483 Hà Nội, 12-2016 Mục lục LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ truyền động biến tần 4Q cho động cơ không đồng bộ” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Quang Địch. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thọ Vũ Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. I DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... V DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................VI LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: .................................................................................................................. 2 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ....................................................... 2 (ĐCKĐB) ........................................................................................................................ 2 1.1. Giới thiệu chung về ĐCKĐB .................................................................... 2 1.1.1. Cấu tạo .................................................................................................... 2 1.1.2. Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB ............................................................ 4 1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ........................................ 4 1.3. Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) .......................................... 4 1.3.1. Mô hình toán học của ĐCKĐB ............................................................... 5 1.3.2. Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thông rotor ĐCKĐB ..................... 10 1.3.3. Cấu trúc điều khiển FOC ...................................................................... 11 1.3.4. Đánh giá điều khiển FOC...................................................................... 14 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................... 15 CHƯƠNG 2: ................................................................................................................ 16 NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN 4Q ................................ 16 2.1. Tổng quan về biến tần 4Q ...................................................................... 16 Cấu tạo của biến tần 4Q ........................................................................ 16 Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 16 2.2. Các dạng chỉnh lưu 4Q ........................................................................... 18 2.2.1. Chỉnh lưu thông minh (smart line module) ........................................... 18 2.2.2. Chỉnh lưu tích cực (active line module) ................................................ 21 2.2.3. Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu tích cực.......................................... 23 2.2.4. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực ................................................. 24 2.2. Kết luận chương 2 ................................................................................... 29 CHƯƠNG 3: ................................................................................................................ 30 Mục lục TÌM HIỂU VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG BIẾN TẦN SINAMICS S120 ............. 30 Giới thiệu chung về hệ thống biến tần SINAMICS S120 .................... 30 3.1.1. Tính năng đặc điểm ............................................................................... 31 3.1.2. Tổng quan về cấu trúc ........................................................................... 31 3.2. Ghép nối phần cứng ................................................................................ 33 3.2.1. Đi dây nguồn cho phần cứng ................................................................ 33 3.2.2. Quy luật đi dây cáp tín hiệu DRIVER- CLiQ ....................................... 36 3.2.3. Ví dụ về kết nối dây cáp tín hiệu DRIVER-CLiQ ................................ 36 3.2.4. Các cổng vào ra ..................................................................................... 37 3.2.5. Sơ đồ ghép nối cho bàn thí nghiệm ....................................................... 38 3.3. Cài đặt và vận hành bộ thí nghiệm........................................................ 40 3.3.1. Giới thiệu chung về phần mềm STARTER .......................................... 40 3.3.2. Phân loại thông số ................................................................................. 41 3.3.3. Trình tự vận hành .................................................................................. 42 3.3.4. Vận hành và kết quả ............................................................................... 79 3.4. Kết luận chương 3. .................................................................................. 87 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 89 Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ...................................................................... 3 Hình 1.2. Mô hình ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq .......................... 10 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp FOC ...................... 11 Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo biến tần 4Q ............................................................................. 16 Hình 2.2. Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector chỉnh lưu tích cực.......................... 17 Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo chỉnh lưu thông minh (smart line module). ........................... 18 Hình 2.4. Thứ tự đóng mở van ...................................................................................... 19 Hình 2.5. Dòng điện, điện áp pha của chỉnh lưu thông minh ở chế độ chỉnh lưu. ....... 19 Hình 2.6. Dòng điện, điện áp pha của chỉnh lưu thông minh khi trả năng lượng về lưới. Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo chỉnh lưu tích cực. .................................................................. 21 Hình 2.8. Dòng điện, điện áp một pha của chỉnh lưu tích cực ở chế độ chỉnh lưu. ...... 21 Hình 2.9. Dòng điện, điện áp một pha của chỉnh lưu tích cực khi trả năng lượng về lưới ................................................................................................................................ 22 Bảng 2.1. So sánh đặc điểm cơ bản của cấu hình hai loại chỉnh lưu. ........................... 22 Hình 2.10. Điện áp một chiều tối thiểu của chỉnh lưu tích cực, ................................... 23 Hình 2.11. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu tích cực. ........................................ 24 Hình 2.12. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực theo vector điện áp VOC. ............. 26 Hình 2.13. Biến đổi dòng điện, điện áp lưới từ hệ tọa độ  sang hệ tọa độ dq . ....... 28 Hình 2.14. Điều khiển tách dòng điện đầu vào chỉnh lưu tích cực. .............................. 29 Hình 3.1. Hệ thống biến tần Sinamics S120 ................................................................. 30 Hình 3.2. Cấu trúc hệ thống Sinamics S120. ................................................................ 32 Bảng 3.1. Dải điện áp và chế độ hoạt động của chỉnh lưu tích cực. ............................. 32 Hình 3.3. Sơ đồ lắp đặt khối nghịch lưu. ...................................................................... 35 Hình 3.4. Sơ đồ lắp đặt chỉnh lưu tích cực. ................................................................... 34 Hình 3.5. Luật đi dây DRIVER-CLiQ .......................................................................... 36 Hình 3.6. Ví dụ về đường kết nối DRIVER-CLiQ ....................................................... 37 Hình 3.7. Sơ đồ chân vào ra của khối điều khiển CU320 ............................................. 38 Hình 3.8. Sơ đồ ghép nối bàn thí nghiệm ..................................................................... 40 Hình 3.9. Expert list ...................................................................................................... 42 i Danh mục hình ảnh Hình 3.10. Thiếp lập địa chỉ IP tĩnh để máy tính giao tiếp với biến tần ....................... 43 Hình 3.11. Khối điều khiển khi chưa đặt địa chỉ IP ...................................................... 43 Hình 3.12. Chọn Edit Etherner node ............................................................................. 44 Hình 3.13. Đặt địa chỉ IP cho khối điều khiển .............................................................. 44 Hình 3.14. Khởi tạo project mới ................................................................................... 44 Hình 3.15.Cửa sổ project wizard................................................................................... 45 Hình 3.16. Điền thông tin project.................................................................................. 45 Hình 3.17. Chọn giao diện kết nối ................................................................................ 46 Hình 3.18. Chọn giao diện kết nối ................................................................................ 46 Hình 3.19. Cài đặt thêm giao diện ................................................................................ 47 Hình 3.20. Hiển thi đã có kết nối giữa máy tính và khối điều khiển ............................ 47 Hình 3.21. Hoàn thành việc lập project mới ................................................................. 48 Hình 3.22. Kết nối online với khối điều khiển. ............................................................. 48 Hình 3.23. Chọn khối điều khiển và kiểu kết nối ......................................................... 49 Hình 3.24. Cấu hình khối nghịch lưu. ........................................................................... 50 Hình 3.25. Cấu hình cấu trúc điều khiển động cơ ......................................................... 50 Hình 3.26. Cấu hình cho khối công suất ....................................................................... 51 Hình 3.27. Cấu hình dữ liệu bổ xung ............................................................................ 51 Hình 3.28. Chọn tiêu chuẩn và điện áp kết nối cho động cơ ........................................ 52 Hình 3.29. Thông tin cơ bản cho động cơ ..................................................................... 52 Hình 3.30. Nhập thông số kỹ thuật cho ĐCKĐB.......................................................... 53 Hình 3.31. Chọn chế độ đo đạc ..................................................................................... 54 Hình 3.32. Chọn kiểu phanh của động cơ ..................................................................... 54 Hình 3.33. Cấu hình cho encoder .................................................................................. 55 Hình 3.34. Cấu hình nhận dạng động cơ ....................................................................... 56 Hình 3.35. Cấu hình các tham số quan trọng ................................................................ 57 Hình 3.36. Hoàn thành cài đặt cho khối ngịch lưu đơn. ............................................... 57 Hình 3.37. Truy cập setpoint channel ........................................................................... 58 Hình 3.38. Dốc lên và dốc xuống với chức năng tạo dốc cơ bản ................................ 59 Hình 3.39. Chức năng tạo ramp nâng cao ..................................................................... 60 Hình 3.40. Biểu đồ chức năng tạo ramp........................................................................ 61 ii Danh mục hình ảnh Hình 3.41. Cấu trúc điều khiển speed control cho ĐCKĐB ......................................... 61 Hình 3.42. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện ............................................................... 62 Hình 3.43. Cấu hình cho khối power module ............................................................... 62 Hình 3.44. Cấu hình cấu trúc điều khiển....................................................................... 63 Hình 3.45. Cấu hình cho khối công suất của ĐCĐB .................................................... 63 Hình 3.46. Cấu hình dữ liệu bổ xung ĐCĐB ................................................................ 64 Hình 3.47. Chọn tiêu chuẩn và điện áp khối công suất ĐCĐB .................................... 64 Hình 3.48. Nhập thông tin cơ bản cho ĐCĐB .............................................................. 65 Hình 3.49. Nhập thông số kỹ thuật cho ĐCKĐB.......................................................... 65 Hình 3.50. Nhập số cặp cực động cơ ............................................................................ 66 Hình 3.51. Chọn chế độ tính toán cho động cơ ............................................................. 66 Hình 3.52. Chọn kiểu phanh của động cơ ..................................................................... 67 Hình 3.53. Cấu hình cho encoder .................................................................................. 67 Hình 3.54. Cấu hình nhận dạng động cơ ....................................................................... 68 Hình 3.55. Cấu hình các tham số quan trọng ................................................................ 69 Hình 3.56. Hoàn thành cài đặt cho khối power module. ............................................... 69 Hình 3.57. Cấu trúc điều khiển momen ........................................................................ 70 Hình 3.58. Giới hạn momen .......................................................................................... 71 Hình 3.59. Thiết lập momen đặt cho động cơ ............................................................... 73 Hình 3.60. Thiết lập giới hạn momen. .......................................................................... 73 Hình 3.61. Download chương trình xuống biến tần...................................................... 74 Hình 3.62. Đường dẫn đến control panel ...................................................................... 77 Hình 3.63. Chọn Assume Control Priority .................................................................... 77 Hình 3.64. Nhận dạng ĐCKĐB .................................................................................... 78 Hình 3.65. Nhận dạng ĐCĐB ....................................................................................... 78 Hình 3.66. Thiết lập các đầu vào ra cho khối điều khiển .............................................. 78 Hình 3.67. Bảng lấy kết quả .......................................................................................... 79 Hình 3.68. Chọn động cơ trên control panel ................................................................. 80 Hình 3.69. Thiết lập các đầu vào ra cho khối điều khiển .............................................. 81 Hình 3.70. Tốc độ động cơ ở chế độ động cơ không tải ............................................... 82 Hình 3.71. Momen động cơ ở chế độ không tải ............................................................ 82 iii Danh mục hình ảnh Hình 3.72.Dòng isq ở chế độ động cơ không tải ............................................................ 83 Hình 3.73.Dòng isd ở chế độ động cơ không tải ............................................................ 83 Hình 3.74. Dòng điện áp trung gian một chiều ở chế độ động cơ không tải ................ 83 Hình 3.75. id và iq của khối chỉnh lưu ở chế độ động cơ không tải ............................. 84 Hình 3.76 Tốc độ động cơ ở chế độ máy phát và hãm tái sinh ..................................... 85 Hình 3.77. Momen động cơ ở chế độ máy phát và hãm tái sinh .................................. 85 Hình 3.78. Điện áp trung gian một chiều ở chế độ máy phát và hãm tái sinh .............. 85 Hình 3.79. Dòng isq của động cơ ở chế độ máy phát và hãm tái sinh .......................... 86 Hình 3.80. Dòng isd của động cơ ở chế độ máy phát và hãm tái sinh .......................... 86 Hình 3.81. Dòng id và iq của khối chỉnh lưu ở chế độ hãm tái sinh ............................. 87 iv Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. So sánh đặc điểm cơ bản của cấu hình hai loại chỉnh lưu. ....................... 22 Bảng 3.1. Dải điện áp và chế độ hoạt động của chỉnh lưu tích cực. ......................... 32 v Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ ĐCĐB Động cơ đồng bộ VOC Điều khiển vector tựa điện áp FOC Điều khiển vector tựa từ thông rotor vi Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phổ biến của động cơ không đồng bộ, vấn đề tiết kiệm năng lượng nổi lên như một vấn đề bức thiết, mang tính sống còn đối với mỗi doanh nghiệp, vì lý do đó mà một hệ truyền động 4Q với khả năng tái tạo điện năng đã và đang thể hiện tính ưu việt của nó so với các hệ truyền động khác, hệ truyền động 4Q sẽ ngày càng trở nên phổ biến đặc biệt là với các ứng dụng tiêu tốn nhiều năng lượng. Nhận thấy tính ưu việt của hệ truyền động 4Q, hãng Siemens đã cho ra đời hệ thống biến tần 4Q đa trục Sinamics S120 với nhiều tính năng vượt trội so với các dòng biến tần trước đây như khả năng tái sinh năng lương, điều khiển tập trung, khả năng tùy biến cho từng nhà máy,cài đặt trực quan trên máy tính….vv. Tuy nhiên do mới được đưa và thị trường Việt Nam chưa lâu nên việc cài đặt vận hành cho hệ thống biến tần này vẫn là một công việc tương đối khó khăn với nhiều kỹ sư đặc biệt là với các kỹ sư trẻ còn chưa có nhiều kinh nghiệm. Vì vậy mà em lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu hệ truyền động 4Q cho động cơ không đồng bộ”. Nội dung chính của đồ án được trình bày như sau: Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Chương 2: Nghiên cứu về hệ truyền động biến tần 4Q Chương 3: Tìm hiểu và vận hành hệ thống biến tần Sinamics S120 Với nhiệm vụ tìm hiểu nguyên lý của hệ truyền động 4Q đồng thời kết hợp vận hành hệ thống biến tần 4Q Sinamics S120 nhằm kiểm chứng khả năng của hệ biến tần 4Q trong thực tế. Em xin chân thành cảm ơn ban Lãnh đạo viện Điện, thầy PGS.TS. Nguyễn Quang Địch cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa công nghiệp đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thọ Vũ 1 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) 1.1. Giới thiệu chung về ĐCKĐB ĐCKĐB là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây quấn dây quấn sơ cấp ) nhận điện từ lưới điện xoay chiều, dây quấn còn lại (dây quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kín qua điện trở. ĐCKĐB làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Nhược điểm chính của ĐCKĐB là đặc tính mở máy xấu và việc khống chế quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Tuy nhiên trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất, vi xử lý đã giúp ĐCKĐB được sử dụng trong cả những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn phải sử dụng động cơ một chiều. ĐCKĐB được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với dải công suất từ nhỏ đến trung bình, chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác nhờ các ưu điểm: − Có kết cấu đơn giản, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc. − So với động cơ một chiều, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, vận hành an toàn, tin cậy, giảm chi phí vận hành, sửa chữa. − Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần thêm thiết bị biến đổi. − Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử. Theo cấu tạo ta chia ĐCKĐB làm 2 loại: − ĐCKĐB rotor dây quấn. − ĐCKĐB rotor lồng sóc. 1.1.1. Cấu tạo ĐCKĐB gồm có các bộ phận chính sau: 2 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ − Phần tĩnh (startor). − Phần quay (rotor). − Khe hở không khí. Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ Phần tĩnh gồm các bộ phận là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy − Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau thành các rãnh theo hướng trục, lõi thép được ép vào trong vỏ máy. − Dây quấn stator làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện để cách điện với lõi thép và được đặt trong các rãnh của lõi thép. Với ĐCKĐB ba pha các pha dây quấn được đặt cách nhau 120 độ điện. Gồm lõi thép, dây quấn và trục động cơ: − Lõi thép rotor: Cấu tạo bởi các lá thép kỹ thuật điện ghép lại giống ở stator. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục, bên ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn. − Trục máy: Gắn trên lõi thép rotor, được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt. − Dây quấn:  Rotor dây quấn: Rotor dây quấn có kiểu giống như dây quấn stator và có số cực bằng số cực ở stator.  Rotor lồng sóc: Các dây quấn là các thanh đồng hay nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor. Hai đầu các thanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch. Các dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép. 3 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 1.1.2. Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB ĐCKĐB làm việc dựa trên nguyen lý cảm ứng điện từ. Khi dòng điện ba pha chạy vào dây quấn ba pha đặt đối xứng trong lõi thép stator, nó sẽ sinh ra từ trường quay ψs, với tốc độ:   2f1 p Trong đó: f1 là tần số dòng điện trong dây quấn stator. p là số đôi cực từ. Từ trường quay ψs quét qua thanh dẫn rotor cảm tứng trong dây quấn rotor sức điện động E2 sinh ra dòng điện Ir ( chiều của Ir xác định theo quy tắc bàn tay phải). Tương tác giữa Ir và từ trường quay ψs tạo thành momen M có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. Momen M kéo rotor quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường. Tốc độ rotor (n) luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay (n1) để có sự chuyển động tương đối giữa tốc độ từ trường quay ψs và rotor, vì vậy duy trì được dòng Ir và momen M. 1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB Để điều khiển ĐCKĐB, có các phương pháp điều khiển kinh điển sau: − Điều chỉnh điện trở mạch rotor. − Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ. − Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ. Trong đó điều chỉnh tần số là phương pháp điều khiển kinh tế nhất. Tuy nhiên nó đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp. Điều này xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt. Nhờ công cụ điều khiển số rất mạnh của ngày nay mà các vấn đề phức tạp trong phương pháp điều chỉnh tần số đã có thể được giải quyết một cách dễ dàng. Tuy nhiên với một số yêu cầu chất lượng điều khiển nâng cao thì các phương pháp kinh điển khó mà đáp ứng được. Ngày nay để điều khiển ĐCKĐB chủ yếu sử dụng các phương pháp: − Điều khiển vô hướng (SFC). − Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC). 1.3. Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) Điều khiển FOC đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu momen. Nguyên lý điều khiển FOC dựa 4 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ trên ý tưởng điều khiển động cơ một chiều. Điều khiển FOC dựa trên định hướng vector từ thông rotor có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ. Do đó hệ thống truyền động điện ĐCKĐB có thể được các đặc tính tĩnh và động cao, so sánh được với điều khiển động cơ một chiều. 1.3.1. Mô hình toán học của ĐCKĐB Để xây dựng mô hình toán học của ĐCKĐB ta dựa vào các phương trình cân bằng điện áp của dây quấn stator, rotor và momen trên trục động cơ: Phương trình cân bằng điện áp trên stator: d sa (t )  u sa  Rs isa (t )  dt  d sb (t )  u sb  Rs isb (t )  dt  d sc (t )  u sc  Rs isc (t )  dt  (1.1) Trong đó: Rs là điện trở của khối điều khiển cuộn dây pha rotor.  sa , sb , sc Là từ thông của khối điều khiển cuộn dây pha a,b,c. Phương trình cân bằng điện áp của rotor gắn với rotor: d ra (t )  u ra  Rr ira (t )  dt  d rb (t )  u rb  Rs irb (t )  dt  d rc (t )  u rc  Rs irc (t )  dt  (1.2) Các giá trị từ thông móc vòng của từng pha stator:  sa  L 'r isa  M 's isc  M 'sr cos  ira  M 'sr cos(   )irb  M 'cos(  2 )irc   sb  M 'r isa  L 's isc  M 'sr cos(  2 )ira  M 'sr cos  irb  M 'cos(  2 )irc   L ' i  M ' i  M ' cos(   )i  M ' cos(  2 )i  M 'cos  i r sa s sc sr ra sr rb rc  sa Trong đó:  là góc lệch giữa hai trục dây quấn stator và rotor và   (1.3) 2 3  Mô hình ĐCKĐB trong không gian vector: Không gian vector cho phép ta chuyển đổi các giá trị tự nhiên của hệ thống ba pha trên mặt phẳng phức đặt song song với mặt cắt ngang của động cơ. Trong mặt phẳng phức này tốc độ góc quay của vector không gian bằng tần số góc của hệ thống nguồn ba 5 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ pha. Để chuyển từ mô hình ĐCKĐB từ hệ tọa độ tự nhiên ra dạng vector ta sử dụng các toán từ a  e j 2 3 Vector không gian của điện áp stator: us  Rs is  d s dt (1.4) Vector không gian của điện áp rotor: ur  Rs ir  d r dt (1.5) Vector từ thông móc vòng stator: (1.6) 2 3  s  ( sA  a sB  a 2 sC ) Từ công thức (1.3) thay vào công thức (1.6) và rút gọn ta được: 3 2  s  ( L 's  M 's )is  M 'sr ie j  Lsis  Lmir (1.7) Trong đó: Ls  L 's  M 's là điện áp tổng ba pha stator. Lm  1,5M 'sr là điện cảm tổng từ hóa ba pha. Vector không gian của từ thông móc vòng rotor: (1.8) 2 3  r  ( rA  a rB  a 2 rC ) Từ công thức (1.6) thay vào (1.8) rút gọn ta được: 3 2  r  ( L 'r  M 'r )ir  M 'sr is e j  Lmi 's  Lr is (1.9) Trong đó: i 's  is e j Kết hợp (1.4), (1.5), (1.7), (1.9) ta có hệ phương trình cân bằng áp viết cho động cơ không đồng bộ như sau: d s d r , ur  Rs ir  , dt dt  s  Ls is  Lmir r  Lm i 's  Lr is us  Rs is  (1.10) i 's  is e j , i 'r  is e  j Momen điện từ của ĐCKĐB: M (1.11) 3 3 p( s is )   p( r ir ) 2 2 Trong đó: 6 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ M  Mc  jd pdt (1.12) M là momen động cơ [Nm]. Mc là momen của tải j là momen quán tính  là tốc độ quay của rotor p là số đôi cực của động cơ  Mô hình động học của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq: Từ (1.10) ta có phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn stator trong hệ tọa độ dq: us dq  Rs is dq  d s dq  j s dq dt (1.13) Từ hệ (1.10) ta có phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor trong hệ tọa độ dq: 0  Rr i r dq  d r dq  j (s   ) r dq dt (1.14) Từ (1.7) và(1.9) từ thông móc vòng trên các dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq: dq dq dq   s  Ls is  Lm ir  dq dq dq   r  Ls is  Lm ir (1.15) Các đại lượng không cần thiết như vector dòng điện rotor , vector từ thông stator bị triệt tiêu ra khỏi hệ. Từ (1.15) ta tìm được hai vector đó:  dq  r dq  Lm ir dq ir  Lr   2  dq  Lm  dq  ( L  Lm )i dq r s r  s Lr Lr  (1.16) Từ phương trình thứ 2 của (1.16) ta có: d s dq Lm d r dq L 2 di dq   ( Ls  m ) r dt Lr dt Lr dt (1.17) Mặt khác từ phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor (1.14) ta có: 7 Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ d r dq   Rr i r dq  j (s   ) r dq dt (1.18) Từ (1.18), (1.17), (1.16) ta có: d s dq Lm d r dq  Lm is dq L 2 di dq  (R r  j ( s   ) r dq  ( Ls  m ) r dt Lr dt Lr dt (1.19) Từ (1.18), (1.17), (1.16) và rút gọn với: Ts  Lr : Hằng số thời gian mạch stator Rs Tr  Lr : Hằng số thời gian của rotor Rr rm 2 : Hệ số tính toán tổng   1 Ls Lr Ta được: dis dq 1 1   dq 1    r dq 1    r dq us dq  (  )is  j sis dq   j  dt  Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls (1.20) Viết cụ thể các thành phần trong hệ tọa độ dq ta được: disd 1 1 1 1 1 1 1  (  )isd  sisq   rd    rq  u dt  Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls sd (1.21) 1 1 1 1 1 1 1  )isq  s isd   rd    rq  u  Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls sq (1.22) disq dt ( Mặt khác theo (1.14) và (1.16) ta có:  dq 1 d r dq 1 dq 1  r dq  ir   j (s   ) r Lm dt Tr Tr Lm Lm (1.23) Viết cụ thể các thành phần trong hệ tọa độ dq ta được: 1 d rd 1 1 1 1  isq   rd  j (s   )  rd Lm dt Tr Tr Lm Lm 1 d rq 1 1 1 1  isd   rq  j (s   )  rq Lm dt Tr Tr Lm Lm Từ 1.14 thế vào 1.16 rút gọn ta được biểu thức momen điện từ: 8 (1.24) (1.25) Chương 1: Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ M   3 Lm 3 L p  r dq is dq  p m ( rd isq  rqisd ) 2 Lr 2 Lr (1.26) Kết hợp (1.21), (1.22), (1.24), (1.25), (1.26) ta có hệ phương trình mô tả ĐCKĐB ở hệ tọa độ dq:  disd 1 1 1 1 1 1 1  (  )isd  s isq   rd    rq  u   Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls sd  dt  di 1 1 1 1 1 1 1  sq  (  )isq  s isd   rd    rq  u  Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls sq  dt  d ' 1 1 1 1  rd  isq   'rd  j (s   )  'rd  Tr Tr Lm Lm  dt  d 'rq 1 (1.27) 1 1 1   isd   'rq  j (s   )  'rq Tr Tr Lm Lm  dt  2  M  3 p L m ( rd isq  rq isd )  2 Lr Trong đó:  'rd   rq  rd ,  'rq  Lm Lm  rq  0 Hệ tọa độ dq có trục thực d trùng với vector từ thông rotor:   rd   r Ta viết lại hệ (1.27):  disd 1 1 1 1  (  )isd  s isq   'rd  usd  dt  T  T  T  L s r r s   disq 1 1 1 1 (  )isq  s isd   'rd  u   Ts  Tr  Tr  Ls sq  dt  d ' 1 1 rd  isq   'r  Tr Tr  dt  1 0  isq  (s   ) 'rq Tr   3 L2  M  p m ( 'rd isq ) 2 Lr  Chuyển (1.28) sang biểu diễn dưới dạng toán tử laplace ta được: 9 (1.28)