Tài liệu Nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vỉnh cửu

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr-êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi TrÇn ThÕ Kû §Ò Tµi : n©ng cao chÊt l-îng hÖ ®iÒu khiÓn tÇn sè ®éng c¬ ®ång bé kÝch tõ b»ng nam ch©m vÜnh cöu Chuyªn nghµnh : Tù ®éng hãa LuËn v¨n th¹c sÜ ngµnh ®iÖn Ng-êi h-íng dÉn khoa häc : TS. Ph¹m v¨n diÔn Hµ néi : 2004 Líi cam ®oan LuËn v¨n th¹c sÜ Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy ®-îc thùc hiÖn bëi chÝnh b¶n th©n m×nh d-íi sù h-íng dÉn cña TS. Ph¹m V¨n DiÔn cïng víi c¸c tµi liÖu ®· ®-îc trÝch dÉn trong phÇn tµi liÖu tham kh¶o ë phÇn cuèi b¶n luËn v¨n. TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 Tµi liÖu tham kh¶o LuËn v¨n th¹c sÜ Môc lôc Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t . i Lêi nãi ®Çu ii Ch-¬ng 1 M« h×nh to¸n häc ®éng c¬ ®ång bé. 1 1.1 X©y dùng vector kh«ng gian. 2 1.2 M« h×nh to¸n häc cña ®éng c¬ ®ång bé. 7 Ch-¬ng 2 X©y dùng hÖ ®iÒu khiÓn tÇn sè ®éng c¬ ®ång bé dïng m« h×nh gi¸n ®o¹n. 15 2.1 Nh÷ng vÊn ®Ò chung khi tæng hîp hÖ ®iÒu khiÓn. 15 2.2 C¸c ph-¬ng ph¸p tæng hîp hÖ gi¸n ®o¹n. 16 2.2.1 Thêi gian trÝch mÉu. 17 2.2.2 Lùa chän cÊu tróc bé ®iÒu chØnh. 19 2.3 M« h×nh liªn tôc cña ®éng c¬ ®ång bé. 22 2.4 M« h×nh gi¸n ®o¹n cña ®éng c¬ ®ång bé. 25 2.5 X©y dùng cÊu tróc m« h×nh ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®ång bé. 30 2.5.1 Kh©u ®iÒu chØnh dßng ®iÖn . 31 2.5.2 Kh©u ®iÒu chØnh tèc ®é . 37 Ch-¬ng 3 Tæng hîp hÖ thèng trªn Matlab. 39 3.1 Giíi thiÖu vÒ phÇn mÒm Matlab. 39 3.2 Lùa chän ®éng c¬ ®Ó m« pháng. 39 3.3 Tæng hîp hÖ thèng b»ng phÇn mÒm Matlab. 40 3.3.1 M« h×nh cña ®èi t-îng ®iÒu khiÓn lµ ®éng c¬. 41 3.3.2 Tæng hîp bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn 43 3.3.2 Tæng hîp bé ®iÒu chØnh tèc ®é. 50 TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 Tµi liÖu tham kh¶o 3.3.4 LuËn v¨n th¹c sÜ M« pháng hÖ ®iÒu khiÓn gi¸n ®o¹n ®éng c¬ ®ång bé. 52 Ch-¬ng 4 XÐt ¶nh h-ëng cña sù biÕn thiªn m¹ch tõ ®Õn chÊt l-îng cña hÖ thèng. 4.1 59 §-êng cong tõ ho¸ vµ ¶nh h-ëng cña nã tíi momen ®iÖn tõ cña ®éng c¬ ®ång bé. 59 4.1.1 §-êng cong tõ ho¸. 59 4.1.2 C¸c nh©n tè ¶nh h-ëng ®Õn sù biÕn thiªn m¹ch tõ. 60 4.1.2.1 ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é. 61 4.1.2.2 ¶nh h-ëng cña sù giµ ho¸ vËt liÖu lµm nam ch©m. 61 4.1.3 4.2 ¶nh h-ëng cña sù biÕn thiªn m¹ch tõ tíi momen ®iÖn tõ cña ®éng c¬ ®ång bé. 62 Gi¶i ph¸p kh¾c phôc. 67 KÕt luËn. 74 Tµi liÖu tham kh¶o. 75 TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 Lêi nãi ®Çu LuËn v¨n th¹c sÜ Lêi nãi ®Çu §éng c¬ ®ång bé ( §C§B ) ®-îc øng dông chñ yÕu ë trong hai d¶i c«ng suÊt : d¶i c«ng suÊt lín vµ rÊt lín ( hµng MW ) vµ d¶i c«ng suÊt nhá vµ rÊt nhá ( cì KW trë xuèng ). Víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña kü thuËt ®iÖn tö vµ c«ng nghÖ th«ng tin §C§B ®ang ngµy cµng thÓ hiÖn ®-îc -u thÕ cña m×nh, ph¹m vi còng nh- sè l-îng cña c¸c hÖ truyÒn ®éng §C§B ®-îc øng dông ngµy cµng nhiÒu trong thùc tÕ. ChÝnh v× thÕ viÖc nghiªn cøu ®Ó nh»m kh«ng ngõng n©ng cao chÊt l-îng cña hÖ truyÒn ®éng §C§B lµ rÊt cã ý nghÜa trªn c¶ ph-¬ng diÖn häc thuËt còng nh- trªn thùc tÕ. §· cã rÊt nhiÒu c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu ®Ó ®-a ra c¸c cÊu tróc ®iÒu chØnh nh»m n©ng cao chÊt l-îng cña hÖ truyÒn ®éng §C§B, mçi cÊu tróc ®Òu thÓ hiÖn ®-îc nh÷ng -u ®iÓm riªng cña nã, song song víi -u ®iÓm ®ã còng tån t¹i nh÷ng ®iÒu ch-a hîp lý. §èi víi ®éng c¬ xoay chiÒu ba pha nãi chung, mµ cô thÓ cña ta ë ®©y lµ §C§B kÝch thÝch vÜnh cöu, th× viÖc m« t¶ chÝnh x¸c m« h×nh ®iÖn tõ cña ®éng c¬ lµ vÊn ®Ò kh«ng ®¬n gi¶n. §iÒu ®ã sÏ dÉn ®Õn mét ®ßi hái lµ lµm thÕ nµo ®Ó bï ®-îc nh÷ng ¶nh h-ëng kh«ng mong muèn cña sù thay ®æi c¸c tham sè, hay nãi mét c¸ch chÝnh x¸c h¬n lµ sù kh«ng chÝnh x¸c cña m« h×nh, ®Ó n©ng cao chÊt l-îng cña hÖ thèng. Dùa trªn tinh thÇn ®ã vµ ®-îc sù gióp ®ì tËn t×nh cña thÇy Ph¹m V¨n DiÔn, t«i ®· hoµn thµnh b¶n luËn v¨n nµy víi ®Ò tµi " N©ng cao chÊt l-îng hÖ ®iÒu khiÓn tÇn sè §C§B kÝch tõ b»ng nam ch©m vÜnh. B¶n luËn v¨n nµy bao gåm 4 ch-¬ng: Ch-¬ng 1: M« h×nh to¸n häc §C§B. Ch-¬ng nµy ®-a ra phÐp biÕn ®æi vector kh«ng gian vµ x©y dùng m« h×nh to¸n häc cña ®éng c¬ ®ång bé. Ch-¬ng 2: X©y dùng hÖ ®iÒu khiÓn tÇn sè ®éng c¬ ®ång bé dïng m« h×nh gi¸n ®o¹n. Néi dung cña ch-¬ng nµy nªu lªn c¸c vÊn ®Ò chung khi x©y dùng mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸n ®o¹n, x©y dùng m« h×nh gi¸n ®o¹n cña §C§B, cÊu tróc c¸c bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn vµ tèc ®é. TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 Lêi nãi ®Çu LuËn v¨n th¹c sÜ Ch-¬ng 3: Tæng hîp hÖ thèng trªn Matlab. Ch-¬ng nµy cã nhiÖm vô x©y dùng m« h×nh gi¸n ®o¹n cña mét §C§B cô thÓ, còng nh- x©y dùng c¸c bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn vµ bé ®iÒu chØnh tèc ®é t-¬ng øng trªn Matlab – Simulink. M« pháng hÖ thèng trªn Matlab - Simulink. Ch-¬ng 4 : XÐt ¶nh h-ëng cña sù biÕn thiªn tõ th«ng vÜnh cöu ®Õn chÊt l-îng cña hÖ thèng. Ch-¬ng nµy ®i vµo xÐt c¸c yÕu tè lµm thay ®æi tõ th«ng cña nam ch©m vÜnh cöu, ®ång thêi ®-a ra ph-¬ng ¸n gi¶i quyÕt nh»m ®¶m b¶o chÊt l-îng cña hÖ thèng. Trong thêi gian lµm viÖc t«i ®· ®-îc sù gióp ®ì rÊt quý b¸u cña c¸c thÇy c« gi¸o trong bé m«n Tù ®éng ho¸ XNCN. §Æc biÖt t«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c ®Õn thÇy gi¸o Ph¹m V¨n DiÔn, ng-êi ®· nhiÖt t×nh chØ b¶o trong thêi gian lµm b¶n luËn v¨n nµy. V× kiÕn thøc vµ thêi gian cã h¹n ch¾c r»ng b¶n luËn v¨n nµy cßn nhiÒu sai sãt, rÊt mong ®-îc sù gãp ý cña c¸c thÇy c« vµ ®ång nghiÖp ®Ó b¶n luËn v¨n nµy ®-îc hoµn chØnh h¬n. Hµ néi th¸ng 9 n¨m 2004 Ng-êi thùc hiÖn: TrÇn ThÕ Kû TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ Ch-¬ng 1: M« h×nh to¸n häc §C§B §éng c¬ ®ång bé ( §C§B ) dïng ®Ó biÕn ®iÖn n¨ng thµnh c¬ n¨ng, trong mét sè tr-êng hîp ®éng c¬ ®ång bé cßn dïng ®Ó ph¸t c«ng suÊt ph¶n kh¸ng vµo l-íi. Ph¹m vi øng dông cña ®éng c¬ ®ång bé rÊt réng r·i ë mäi d¶i c«ng suÊt tuy nhiªn lo¹i ®éng c¬ nµy ®Æc biÖt hay ®-îc øng dông ë vïng c«ng suÊt lín ( do cã kh¶ n¨ng ch¹y víi ®iÖn ¸p cao ). §C§B hay ®-îc dïng ®Ó kÐo c¸c tæ m¸y biÕn ®æi, m¸y nÐn khÝ vµ m¸y b¬m. ¦u ®iÓm cña §C§B lµ cã cÊu tróc ®¬n gi¶n h¬n so víi m¸y ®iÖn mét chiÒu, do ®Æc tÝnh bï cña nã mµ chØ tiªu n¨ng l-îng cña §C§B tèt h¬n ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ( §CK§B ), trong khi ®ã gi¸ thµnh l¹i kh«ng cao l¾m. Nh÷ng §C§B cã c«ng suÊt lín h¬n 1MW rÎ h¬n §CK§B. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt b¸n dÉn vµ viÖc t¹o ra c¸c bé biÕn ®æi tÇn sè b»ng c¸c van b¸n dÉn ngµy cµng hoµn thiÖn th× viÖc ®iÒu chØnh tèc ®é cña §C§B ®· ®-îc thùc hiÖn mét c¸ch dÔ dµng. Bªn c¹nh viÖc øng dông trong d¶i c«ng suÊt lín th× §C§B cßn ®-îc øng dông kh¸ réng r·i trong c¸c truyÒn ®éng yªu cÇu chÊt l-îng cao ë d¶i c«ng suÊt thÊp vµ rÊt thÊp ( khi ®ã §C§B th-êng ®-îc kÝch thÝch b»ng nam ch©m vÜnh cöu ). S¬ ®å nèi cña §C§B ®-îc cho trªn h×nh I-1. ~ cuén kÝch tõ cuén khëi ®éng K RT K + _ H×nh I- 1 S¬ ®å nèi d©y cña §C§B TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 1 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ 1.1 X©y dùng vector kh«ng gian. §C§B 3 pha cã 3 cuén d©y Stator bè trÝ lÖch nhau mét gãc 120o c¬. Khi nèi §C§B 3 pha víi nguån ( cã thÓ lµ nguån tõ l-íi, còng cã thÓ lµ ®Çu ra cña 1 bé biÕn tÇn ) th× trong 3 cuén d©y sÏ cã c¸c dßng ®iÖn t-¬ng øng lµ i su , i sv , isw . Ba dßng ®iÖn nµy tho¶ m·n ph-¬ng tr×nh . isu (t)  isv (t)  isw (t)  0 (1.1) Mçi dßng ®iÖn trong ®ã l¹i cã thÓ ®-îc biÓu diÔn nh- sau isu (t )  is cos(s t ) isv (t )  is cos(s t  1200 ) (1.2) isw (t )  is cos(s t  2400 ) ë ®©y : s : lµ tÇn sè gãc cña dßng ®iÖn Stator (s=2fs ) i s : lµ gi¸ trÞ lín nhÊt cña dßng ®iÖn pha fs : lµ tÇn sè cña m¹ch Stator NÕu ta c¾t ngang §C§B vµ thiÕt lËp trªn ®ã mét hÖ trôc to¹ ®é phøc víi trôc thùc ®i qua trôc cuén d©y pha u cña ®éng c¬ th× ta cã thÓ x©y dùng ®-îc vector kh«ng gian sau ®©y :   is (t )  2 isu (t )  isv (t ).e j120  isw (t ).e j240 / 3 0  i s e j 0 (1.3) Trong c«ng thøc (1.3) , vector i s ( t ) lµ mét ®¹i l-îng phøc cã modul kh«ng ®æi , quay trªn mÆt ph¼ng phøc víi tèc ®é gãc b»ng víi tèc ®é gãc cña tõ tr-êng quay s = 2fs vµ t¹o víi trôc thùc nh- ®· nãi trªn mét gãc pha  =st. Qu¸ tr×nh x©y dùng trªn ®-îc m« t¶ bëi h×nh I-2. Ng-îc l¹i tõ h×nh I- 2 ta còng cã thÓ dÔ dµng thÊy r»ng c¸c dßng ®iÖn pha t-¬ng øng chÝnh lµ h×nh chiÕu cña vector míi thu ®-îc is(t) lªn trôc cña TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 2 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ c¸c cuén d©y pha t-¬ng øng nh- trªn h×nh I- 3. Mét c¸ch t-¬ng tù nh- ®èi víi dßng ®iÖn Stator ta còng cã thÓ x©y dùng vector kh«ng gian t-¬ng øng cho c¸c ®¹i l-îng kh¸c nh- : ®iÖn ¸p Stator, tõ th«ng Stator . Trôc ¶o (Im) o e j120 i s (t )  v u 1 w o e j 240 o 2 i sc e j 240 3 Trôc thùc (Re) 2 i sa 3 o 2 i sbe j120 3 H×nh I-2 : ThiÕt lËp vector kh«ng gian tõ c¸c ®¹i l-îng 3 pha NÕu ta gäi trôc thùc cña mÆt ph¼ng phøc nãi trªn lµ  vµ trôc ¶o t-¬ng øng lµ . Khi ®ã ta còng dÔ dµng thÊy r»ng, h×nh chiÕu cña vector dßng ®iÖn trªn hai trôc ®ã ( ký hiÖu t-¬ng øng lµ is vµ is) còng lµ c¸c ®¹i l-îng h×nh sin. Lóc nµy ta cã thÓ thay thÕ §C§B 3 pha víi c¸c cuén d©y pha lµ u,v,w b»ng mét ®éng c¬ t-¬ng øng víi 2 cuén d©y cã trôc cè ®Þnh lµ  vµ  ë ®©y ta còng ph¶i nãi thªm r»ng hÖ to¹ ®é (,) mµ ta ®ang nãi ë trªn lµ hÖ to¹ ®é cè ®Þnh v× nã ®-îc g¾n vµo Stator cña §C§B, mµ víi §C§B th× Stator ®øng yªn. Khi ®ã ta cã thÓ biÓu diÔn dßng ®iÖn Stator trªn hÖ to¹ ®é (,) nh- sau. i s  i s  ji s TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 (1.4) 3 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B Cuén pha v d©y LuËn v¨n th¹c sÜ (Im) isw i s (t ) i s Cuén pha u isv Cuén pha w d©y is  isu d©y H×nh I-3 : biÓu diÔn dßng Stator d-íi d¹ng vector kh«ng gian víi c¸c phÇn tö i s , i s thuéc hÖ to¹ ®é Stator cè ®Þnh Do dßng ®iÖn 3 pha cÊp cho §C§B lµ ®èi xøng nªn víi ®iÒu kiÖn lµ trung tÝnh cña ®éng c¬ kh«ng nèi ®Êt, th× ®Ó biÕt ®-îc th«ng tin vÒ i s ( t ) ta chØ cÇn biÕt 2 trong 3 thµnh phÇn cña dßng ®iÖn Stator mµ th«i. Khi ®ã c¸c thµnh phÇn cña dßng ®iÖn trªn mÆt ph¼ng phøc ( hÖ täa ®é ) sÏ ®-îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau ®©y. is  1 (isu  2isv ) 3 (1.5) C«ng thøc (1.5) chØ ®óng khi ta chän trôc quy chiÕu chuÈn nh- trªn h×nh I-3 trïng víi trôc cña cuén d©y pha u. Mét c¸ch hoµn toµn t-¬ng tù ta còng cã thÓ biÓu diÔn c¸c ®¹i l-îng nh- tõ th«ng Stator, ®iÖn ¸p Stator ... trªn hÖ to¹ ®é cè ®Þnh b»ng c«ng thøc sau :  u s (t )  u s  ju s  s (t )  s  js (1.6) HÖ to¹ ®é mµ ta ®· chän trªn lµ hÖ to¹ ®é ®øng yªn ( hÖ to¹ ®é Stator ). Tuy nhiªn ta cã thÓ cho hÖ to¹ ®é nµy quay víi mét vËn tèc gãc bÊt kú quanh TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 4 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ gèc cña nã. Trong tõng tr-êng hîp cô thÓ, ®Ó thuËn tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n còng nh- dÔ h×nh dung ta cã thÓ chän tèc ®é quay k cña hÖ täa ®é tæng qu¸t nh- sau : • Khi tèc ®é quay k =0 ; ta cã hÖ to¹ ®é ®øng yªn, chÝnh lµ hÖ täa ®é () mµ ta ®· nãi ë trªn. • Khi tèc ®é quay k =  ; ë ®©y  lµ vËn tèc gãc Rotor , khi ®ã ta cã hÖ täa ®é Rotor ( hÖ täa ®é nµy ®øng yªn so víi Rotor ) vµ ta ký hiÖu hÖ täa ®é nµy lµ (dq). • Khi tèc ®é quay k = s, s ë ®©y lµ tèc ®é gãc cña tõ tr-êng quay. Ta cã hÖ täa ®é g¾n chÆt vµo tõ tr-êng quay, ký hiÖu hª täa ®é nµy lµ (xy) nh- trªn h×nh I-4. Khi ®ã mét vector bÊt kú trong mét hª to¹ ®é quay víi vËn tèc nµo ®ã ®Òu cã thÓ ®-îc biÓu diÔn trong hÖ täa ®é cè ®Þnh b»ng c«ng thøc chuyÓn trôc täa ®é sau : V   V .e j * *  V  V .e j * hoÆc * (1.7) ë ®©y : V* lµ vector trong hÖ täa ®é bÊt kú  * lµ gãc lÖch cña hai trôc thùc t¹i thêi ®iÓm ®ang xÐt. x j e q  d y 0  0  a H×nh I- 4 : BiÓu diÔn hÖ täa ®é tæng qu¸t TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 5 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ * Gi÷a  vµ * ( tèc ®é gãc cña hÖ täa ®é quay ) cã mèi liªn hÖ nh- sau: d*   (1.8) dt Lóc nµy biÔu diÔn vector kh«ng gian cña dßng ®iÖn Stator vµ tõ th«ng Rotor *  r sÏ nh- trªn h×nh I- 5. NÕu ta biÓu diÔn vector dßng Stator trªn hÖ täa ®é tõ th«ng Rotor ta sÏ cã is  isd  ji sq dq (1.9) Trong tr-êng hîp khi ®· x¸c ®Þnh ®-îc gãc s th× tõ c«ng thøc (1.7) ta dq cã thÓ thÝnh ®-îc i s b»ng c¸ch sau : is  is .e js dq (1.10) Khai triÓn c«ng thøc (1.10) mét c¸ch chi tiÕt h¬n ta ®-îc : dq isd  Re(is )  is sin s  is cos s dq dq isq  Im(is )  is cos s  is sin s j dq d Cuén d©y pha v i s is r s Trôc Rotor  i sd jq  i sq s  i s Cuén d©y pha u Cuén d©y pha w H×nh I-5 :BiÓu diÔn vector kh«ng gian trªn hÖ täa ®é tõ th«ng Rotor TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 6 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ 1.2. M« h×nh to¸n häc cña §C§B ë §C§B tõ th«ng Rotor ®-îc t¹o ra bëi cuén d©y kÝch thÝch t¸ch biÖt víi c¸c cuén d©y Stator ( hoÆc bëi c¸c phiÕn nam ch©m vÜnh cöu ®-îc bè trÝ trªn bÒ mÆt cña Rotor ). V× thÕ mµ dßng ®iÖn Stator is chØ chøa thµnh phÇn t¹o momen quay isq mµ kh«ng chøa thµnh phÇn dßng kÝch thÝch isd n÷a . M« h×nh ®¬n gi¶n cña §C§B cã cÊu t¹o ë d¹ng cùc låi ®-îc cho trªn h×nh I- 6. Mét ®iÒu cÇn nãi n÷a lµ ë ®©y ta gi¶ thiÕt Rotor cña §C§B lµ lo¹i cùc låi v× §C§B cã cÊu t¹o víi läai Rotor cã tèc ®é kh«ng cao l¾m nªn hay ®-îc dïng lµm ®éng c¬, cßn m¸y ®iÖn ®ång bé víi Rotor cùc Èn ( h×nh I- 7 ) th-êng cã tèc ®é cao h¬n vµ do ®ã th-êng ®-îc sö dông ®Ó lµm m¸y ph¸t ®ång bé . §C§B cã mét ®Æc ®iÓm chÝnh lµ tõ th«ng cña nã ph©n cùc, cã h-íng nhÊt qu¸n vµ cè ®Þnh, tÝnh ®Þnh h-íng ®ã phô thuéc vµo cÊu tróc c¬ häc cña ®éng c¬. Cho nªn víi §C§B nÕu ta ®iÒu chØnh tùa theo tõ th«ng Rotor th× sÏ rÊt thuËn lîi h¬n so víi tr-êng hîp cña §CK§B . V× víi §C§B gãc pha ®Çu 0 lµ ®· biÕt tr-íc, vµ c«ng viÖc cña ta ë ®©y lµ b»ng c¸ch nµo ®ã theo dâi gãc pha ®ã mét c¸ch liªn tôc b»ng c¸c thiÕt bÞ ®o tèc ®é gãc, hoÆc b»ng m« h×nh d q Cuén d©y pha v   Trôc chuÈn Cuén d©y pha u Cuén d©y pha w H×nh I- 6 : M« h×nh ®¬n gi¶n §C§B víi Rotor cã cÊu tróc cùc låi TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 7 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ Còng chÝnh v× -u thÕ nµy cña §C§B nªn ta cã thÓ xem hÖ to¹ ®é dq cña ®éng c¬ lµ ®· x¸c ®Þnh nh- trªn h×nh I- 6 vµ h×nh I- 7. Vµ ®o ®ã cã thÓ ¸p dông c¸c ph-¬ng ph¸p ®iÒu chØnh trùc tiÕp trªn hÖ to¹ ®é dq mµ kh«ng cÇn quan t©m ®Õn hÖ to¹ ®é  n÷a. ë ®©y ta còng kh«ng cÇn quan t©m kÝch thÝch cña ®éng c¬ lµ vÜnh cöu hay kÝch thÝch ngoµi bëi v× §C§B cã kÝch thÝch vÜnh cöu cã thÓ ®-îc thÕ b»ng §C§B víi cuén d©y kÝch thÝch vµ mét dßng kÝch t-¬ng øng. d  v q  Trôc chuÈn u w H×nh I- 7 : M« h×nh d¬n gi¶n §C§B víi Rotor cã cÊu tróc cùc Èn Ph-¬ng tr×nh ®iÖn ¸p cña c¸c cuén d©y Stator . u su (t)  R sisu  u sv (t)  R sisv  dsv (t ) dt u sw (t )  R s i sw  trong ®ã : dsu (t ) dt (1.12) dsw (t ) dt Rs : ®iÖn trë cña cuén d©y Stator su , sv , sw : tõ th«ng Stator cña c¸c cuén d©y pha t-¬ng øng. TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 8 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ Tuy nhiªn hÖ ph-¬ng tr×nh (1.12) trªn vµ c¸c ph-¬ng tr×nh sau ®©y n÷a chØ ®óng khi ta chÊp nhËn c¸c ®iÒu kiÖn sau khi m« h×nh ho¸ ®éng c¬. • C¸c cuén d©y Stator ®-îc bè trÝ mét c¸ch ®èi xøng vÒ mÆt kh«ng gian • C¸c tæn hao vÒ s¾t tõ vµ b·o hoµ tõ cã thÓ bá qua. • Tham sè cña ®éng c¬ lµ kh«ng ®æi trong suèt qu¸ tr×nh lµ viÖc cña nã. Sö dông c«ng thøc (1.3) cho ®iÖn ¸p Stator usvµ tõ th«ng Stator s ta cã . 0 0 2 us (t)  [usu (t)  usv (t)e j120  usu (t)e j240 ] 3 0 0 2 s (t)  [su (t)  sv (t)e j120  sw (t)e j240 ] 3 (1.13) (1.14) Tõ (1.12), (1.13) vµ (1.14) ta cã thÓ viÕt l¹i ph-¬ng tr×nh ®iÖn ¸p Stator ë d¹ng ®¬n gi¶n h¬n sau ®©y. u s (t )  R s is (t )  ds ( t ) dt (1.15) V× ph-¬ng tr×nh (1.15) thu ®-îc trªn hÖ to¹ ®é Stator ( còng lµ hÖ to¹ ®é cè ®Þnh , ta ký hiÖu ch÷ s lªn trªn phÝa ph¶i ®Ó ký hiÖu hÖ to¹ ®é mµ trong ®ã ph-¬ng tr×nh (1.15) ®-îc biÓu diÔn. d s (t ) u s (t )  R s is (t )  dt sö dông c«ng thøc biÕn ®æi hÖ to¹ ®é (1.7) ta cã : s s s (1.16) u s  u s e jk s k i s  i s e jk s k (1.17)  s   s e jk s trong ®ã : k k : lµ mét hÖ to¹ ®é bÊt kú cã chung gèc O víi hÖ to¹ ®é cè ®Þnh. TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 9 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ k : gãc lÖch gi÷a trôc thùc cña hai hÖ to¹ ®é lÊy ®¹o hµm ss trong c«ng thøc (1.17) ta cã : d s jk d d d s k k ( s )  ( s e jk k )  e  ( jk ). s dt dt dt dt k hay d ds jk s k ( s )  e  jk s dt dt k (1.18) thay c¸c c«ng thøc ë (1.17) vµ (1.18) vµo (1.16) ta ®-îc ph-¬ng tr×nh ®iÖn ¸p Stator viÕt cho mét hÖ täa ®é tæng qu¸t k nh- sau : d s k u s  R s is   jk  s dt k k k (1.19) Thay k b»ng hÖ täa ®é dq ( ®Ó ®¬n gi¶n ta ký hiÖu hÖ täa ®é dq lµ f) khi ®ã ph-¬ng tr×nh ®iÖn ¸p Stator cña §C§B viÕt trªn hÖ täa ®é tõ th«ng Rotor sÏ lµ : ds f u s  R s is   js s dt f f f (1.20) ë ®©y ta viÕt tèc ®é quay lµ s lµ v× s = f = tèc ®é ®ång bé. Vector tõ th«ng Rotor rf ( do ®-îc kÝch thÝch bëi dßng mét chiÒu – hoÆc nam ch©m vÜnh cöu ) nªn chØ cã thµnh phÇn thùc rf vµ trôc thùc cña vector nµy còng chÝnh lµ trôc cña chÝnh nã. ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ :  r  r f f (1.21) Vector tõ th«ng Stator gåm hai thµnh phÇn. Thµnh phÇn ®Çu tiªn lµ do dßng Stator tù c¶m trong c¸c cuén d©y cña chÝnh nã. Thµnh phÇn cßn l¹i lµ do rf c¶m øng sang. TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 10 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B s  r  Ls is f f LuËn v¨n th¹c sÜ f (1.22) ë ®©y : L s : lµ ®iÖn c¶m Stator Do ë §C§B Rotor th-êng kh«ng cã kÕt cÊu trßn ®Òu nh- cña §CK§B . Tøc lµ khe hë cña Rotor t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau cã thÓ kh«ng gièng nhau. NÕu ta quan s¸t §C§B cùc låi trªn h×nh I- 6 ta sÏ thÊy r»ng khe hë gi÷a Stator vµ Rotor t¹i ®Ønh cùc ( vÞ trÝ cña trôc d ) bÐ h¬n rÊt nhiÒu so víi khe hë t¹i vÞ trÝ ngang cùc ( vÞ trÝ cña trôc q ), ®iÒu nµy sÏ dÉn ®Õn gi¸ trÞ ®iÖn c¶m cña Stator sÏ kh¸c nhau khi ®o t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau cña Rotor . Ta ký hiÖu : Lsd : ®iÖn c¶m Stator ®o ë vÞ trÝ ®Ønh cùc ( däc trôc ) Lsq : ®iÖn c¶m Stator ®o ë vÞ trÝ ngang cùc ( ngang trôc ) Ngay c¶ víi §C§B lo¹i cùc Èn, c¸c phiÕn nam ch©m vÜnh cöu ®-îc bè trÝ ®Òu trªn bÒ mÆt Rotor . Tuy nhiªn do gi¸ thµnh lµ h¹n chÕ nªn c¸c nhµ chÕ t¹o còng chØ ®Æt mét l-îng h÷u h¹n c¸c phiÕn. §iÒu nµy sÏ dÉn ®Õn khe hë ë vÞ trÝ däc trôc ( vÞ trÝ ®Ønh cùc ) bÐ h¬n khe hë ë vÞ trÝ ngang trôc, mÆc dÇu sù kh¸c biÖt ®ã lµ kh«ng nhiÒu nh- ë §C§B cã Rotor cÊu t¹o theo kiÓu cùc låi. Khi cã xÐt ®Õn ®iÖn c¶m ngang trôc vµ däc trôc cña Ls th× ph-¬ng tr×nh (1.22) cã thÓ ®-îc viÕt mét c¸ch chi tiÕt h¬n nh- sau : sd  isd .Lsd  r   sq  isq .Lsq (1.23) Thay c¸c ph-¬ng tr×nh trong (1.23) vµo ph-¬ng tr×nh (1.20) vµ viÕt ë d¹ng chi t-êng minh h¬n ta cã : disd  u  R i  L  sisq Lsq sd s sd sd  dt  di u sq  R sisq  Lsq sq  sisd Lsd  s r  dt TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 (1.24) 11 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ HÖ ph-¬ng tr×nh (1.24) cã thÓ viÕt l¹i d-íi d¹ng ph-¬ng tr×nh tr¹ng th¸i víi c¸c biÕn tr¹ng th¸i lµ isd vµ isd sau ®©y: Lsq  • 1 1  isd   T isd  s L isq  L u sd  sd sd sd • L 1 1  isq  s sd isd  isq  u sd  s r Lsq Tsq Lsd Lsq  víi : Tsd  Lsd : h»ng sè thêi gian däc trôc. Rs Tsq  Lsq : h»ng sè thêi gian ngang trôc Rs (1.25) Ph-¬ng tr×nh momen ®iÖn tõ cña §C§B . 3 s s mM  pc (s  is ) 2 (1.26) Hay viÕt ë d¹ng t-êng minh h¬n : 3 mM  pc (sdisq  sqisd ) 2   3  pc r i sq  i sdi sq (Lsd  Lsq ) 2   3    pc  r  isd Lsdisq  Lsqisdisq  2  Lsd   (1.27) ë ®©y pc : lµ sè cÆp cùc cña ®éng c¬. Tõ ph-¬ng tr×nh momen ®iÖn tõ cña ®éng c¬ (1.27) ta cã thÓ rót ra nhËn xÐt r»ng : Momen cña §C§B bao gåm 2 thµnh phÇn, thµnh phÇn chÝnh lµ risq vµ thµnh phÇn ph¶n kh¸ng isd isq(Lsd - Lsq) do sù chªnh lÖch ®iÖn c¶m Stator ngang trôc vµ däc trôc g©y ra. Vµ v× thÕ ë bÊt kú tr¹ng th¸i vËn hµnh nµo th× §C§B còng ph¶i sinh thªm mét momen ®Ó bï vµo thµnh phÇn ph¶n TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 12 Ch-¬ng1: M« h×nh to¸n häc §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ kh¸ng nãi trªn. Thµnh phÇn ph¶n kh¸ng nµy lµ ®¸ng kÓ ®èi víi §C§B cã Rotor kÕt cÊu theo kiÓu cùc låi v× lo¹i ®éng c¬ nµy cã sù chªnh lÖch ®iÖn c¶m ngang trôc vµ däc trôc lµ rÊt lín. §èi víi §C§B cã Rotor d¹ng cùc Èn cã kÕt cÊu trßn ®Òu lý t-ëng cã thÓ coi Lsd  Lsq . Trªn thùc tÕ viÖc bá qua nµy lµ cã thÓ chÊp nhËn ®-îc trong d¶i tèc ®é danh ®Þnh cña ®éng c¬, v× lóc nµy dßng isd  0 trong d¶i tèc ®é nµy, chÝnh v× thÕ thµnh phÇn ph¶n kh¸ng bÐ h¬n nhiÒu so víi thµnh phÇn chÝnh. Tuy nhiªn khi ®éng c¬ ho¹t ®éng ë d¶i tèc ®é trªn ®Þnh møc. Lóc nµy ®éng c¬ sÏ ho¹t ®éng ë chÕ ®é gi¶m tõ th«ng vµ ®Ó thu ®-îc thªm ®iÖn ¸p ®iÒu chØnh ta ph¶i thªm vµo trôc d mét thµnh phÇn dßng isd  0 . Dßng isd nµy sÏ cã biªn ®é tØ lÖ thuËn víi tèc ®é cña Rotor. ChÝnh ®iÒu nµy lµm cho thµnh phÇn momen ph¶n kh¸ng lµ kh«ng thÓ bá qua ®-îc. Ph-¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña ®éng c¬ : m M  mT  Jd pc dt (1.28) trong ®ã : mM : momen ®iÖn tõ cña ®éng c¬ mT J : momen c¶n trªn trôc cña ®éng c¬ : momen qu¸n tÝnh cña ®éng c¬ Tõ c¸c ph-¬ng tr×nh (1.17) (thay gãc k = s) hÖ ph-¬ng tr×nh (1.25) vµ (1.27) ta x©y dùng ®-îc m« h×nh to¸n häc cña §C§B trªn hª to¹ ®é dq ( HÖ to¹ ®é quay trßn cã trôc thùc trïng víi trôc cña tõ th«ng Rotor ) ë trªn h×nh I8. Ký hiÖu s trªn h×nh I- 8 thÓ hiÖn to¸n tö d / dt . TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 13 Ch-¬ng2:X©y dùng hÖ ®iÒu khiÓn tÇn sè §C§B LuËn v¨n th¹c sÜ Ch-¬ng 2 : X©y dùng hÖ ®iÒu khiÓn tÇn sè §C§B dïng m« h×nh gi¸n ®o¹n 2.1 Nh÷ng vÊn ®Ò chung vÒ tæng hîp hÖ ®iÒu khiÓn. Mét hÖ ®iÒu khiÓn tù ®éng muèn ®¶m b¶o ®-îc c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ ®Æt ra nã cÇn ph¶i tho¶ m·n c¸c chØ tiªu chÊt l-îng ( ®éng vµ tÜnh ). Do ®ã muèn ®¸nh gi¸ ®-îc chÊt l-îng cña mét hÖ thèng ta ph¶i tæng hîp hÖ vµ trªn c¬ së c¸c c«ng cô ®Ó kh¶o s¸t chÊt l-îng, ta sÏ ®¸nh gi¸ ®-îc ho¹t ®éng cña hÖ lµ tèt hay xÊu. ChÝnh v× thÕ viÖc tæng hîp mét hÖ thèng sÏ quyÕt ®Þnh nã sÏ lµm viÖc nh- thÕ nµo trong t-¬ng lai, mÆt kh¸c viÖc tæng hîp còng nh»m môc ®Ých gîi më, ®Þnh h-íng cÊu tróc cña hÖ thèng, cña bé ®iÒu chØnh vµ c¸c tham sè cña hÖ thèng ®ã. Cã nhiÒu c¸ch ®Ó tæng hîp hÖ thèng vµ mçi c¸ch ®ã sÏ ph¶i qua nh÷ng tr×nh tù nhÊt ®Þnh. Mçi mét ph-¬ng ph¸p sÏ ®¶m b¶o ®-îc yªu cÇu cña mét hay mét vµi th«ng sè, v× thÕ mµ tïy theo yªu cÇu c«ng nghÖ mµ ta sÏ ph¶i chän ph-¬ng ph¸p tháa m·n c¸c yªu cÇu ®Æt ra vÒ chÊt l-îng. Nh×n chung ta cã hai ph-¬ng ph¸p tæng hîp hÖ c¬ b¶n nh- sau : • Tæng hîp hÖ b»ng c¸ch thay ®æi th«ng sè ( tæng hîp tham sè ). Víi c¸ch tæng hîp nµy ta sÏ ph¶i t×m c¸c bé tham sè sao cho hÖ ®¶m b¶o yªu cÇu vÒ chÊt l-îng. Ph-¬ng ph¸p nµy chñ yÕu ®-îc ¸p dông ®èi víi c¸c hÖ thèng cã cÊu tróc æn ®Þnh. • Tæng hîp b»ng c¸ch thay ®æi cÊu tróc cña hÖ ( tæng hîp cÊu tróc ). Ph-¬ng ph¸p nµy ®-îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay ®æi c¸ch ®Êu nèi gi÷a c¸c phÇn tö hoÆc ®-a thªm c¸c m¹ch phô vµo hÖ thèng trªn c¬ së ®¶m b¶o chÊt l-îng yªu cÇu. Ph-¬ng ph¸p nµy Ýt ®-îc dïng h¬n ph-¬ng ph¸p tæng hîp tham sè, vµ th-êng ®-îc ¸p dông cho c¸c hÖ thèng cã cÊu tróc kh«ng æn ®Þnh. TrÇn ThÕ Kû – Cao häc ®iÖn 2002 15