Luận văn Điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục

môn Tự động hóa XNCN của Viện Điện, thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp sử dụng ổ đỡ từ dọc trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công, các phương pháp điều khiển cơ bản đã được phát triển và ứng dụng cho động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện. Thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên với các Giáo sư ở trường đại học Curtin (Curtin University - Australia), các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã được nghiên cứu. Bước đầu đã có một số công trình nghiên cứu về điều khiển ổ đỡ từ chủ động hướng tâm, được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành và các hội thảo toàn quốc về tự động hóa. Các nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ AFPM có tích hợp chức năng ổ đỡ từ mới đang bắt đầu được tiến hành. 1.4.2. Ổ đỡ từ 1.4.2.1. Giới thiệu khái quát Các vòng bi từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học. Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ mới này đưa ra một số các ưu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường, ví dụ như ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ chất lỏng. Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao và các đặc tính động có thể điều chỉnh được. Các vòng bi từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ và công suất bộ khuếch đại. Các vòng bi từ có thể cho phép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không. Một hệ thống đo lường hiện đại tích hợp trong hệ thống treo từ tính không 17 chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ và tốc độ quay mà hệ thống đo lường này còn có thể phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó. Bộ điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ. Điều này cho phép bộ điều khiển điều chỉnh được đặc tính động ảnh hưởng lên các tần số cộng hưởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền. Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong khoảng ba thập kỷ qua. Rất nhiều các nghiên cứu quan trọng đã được tiến hành bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến vòng bi từ. Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần, Cho đến nay, những nhận thức trọng tâm trong thiết kế các vòng bi từ đã có những bước tiến rõ rệt và việc ứng dụng các vòng bi từ vào các ứng dụng thực tiễn đã vượt ra ngoài những mong muốn ban đầu. Các ứng dụng quan trọng của các vòng bi từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động. Trên thực tế, phát minh sớm nhất liên quan vòng bi từ tích cực được cấp cho Jesse Beams tại trường Đại học Virginia trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ II. Sáng chế này ứng dụng cho quá trình siêu ly tâm để phục vụ cho công đoạn tinh luyện trong sản xuất quả bom nguyên tử đầu tiên. Tuy nhiên, công nghệ lúc đó chưa đủ lớn mạnh cho đến khi xuất hiện các công nghệ tiên tiến về điện tử bán dẫn và điều khiển bằng máy tính, cùng với những nghiên cứu của Habermann và Schweitzer. Sau đó các nghiên cứu về vòng bi từ thuộc chương trình nghiên cứu Máy điện quay và Điều khiển công nghiệp vẫn được tiếp tục tại Đại học Virginia. Cho đến năm 1988, chỉ có một vài viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các vòng bi từ. Có thể kể đến ở đây gồm: phòng thí nghiệm Higuchi, ĐH Tokyo (Nhật Bản), phòng thí nghiệm Schweitzer, Học viện công nghệ Zurich (Thụy Sỹ), phòng thí nghiệm Allaire, ĐH Virginia (Hoa Kỳ) và phòng thí nghiệm Matsumura, ĐH 18 Kanazawa (Nhật Bản). Tại hội nghị khoa học quốc tế đầu tiên về công nghệ treo từ tính (International Symposium on Magnetic Bearings - ISMB) được tổ chức vào tháng 6, 1988 tại Thụy Sỹ, các GS Schweitzer (Học viện công nghệ Zurich), GS Allaire (ĐH Virginia) và GS Okada (ĐH Ibaraki) chính là những người đặt nền móng cho Hiệp hội quốc tế về công nghệ treo từ tính. Tính đến năm 2015, ISMB đã trải qua 27 năm phát triển với 14 hội nghị khoa học quốc tế được tổ chức, và đã có một số những đánh giá cụ thể về lịch sử phát triển của AMB được thực hiện. Kasarda chỉ ra rằng ứng dụng thương mại đầu tiên của AMB là trong máy gia tốc. AMB cho phép loại bỏ các bồn chứa dầu trong các máy nén đối với các đường ống dẫn dầu của công ty truyền tải khí đốt NOVA (NGTL) tại Alberta, Canada. Điều này làm giảm nguy cơ cháy nổ và cho phép giảm giá thành trong bảo hiểm. Thành công trong việc ứng dụng công nghệ treo từ tính đã khiến cho NGTL trở thành nơi dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển số cho treo từ tính và như là một sự thay thế cho các hệ thống điều khiển tương tự do công ty Magnetic Bearings Inc. (MBI), Hoa Kỳ cung cấp. Một công ty của Pháp là S2M, thành lập năm 1976, là công ty thương mại hóa công nghệ AMB đầu tiên ra thị trường. Công ty này dành phần lớn công sức nghiên cứu trong thời gian ban đầu để quan tâm đến điều khiển rung động của các máy điện quay trong các tàu ngầm nhằm làm giảm nhiễu sóng âm. Tất nhiên các nghiên cứu này không được công khai hóa do bí mật quân sự. Các ứng dụng về AMB đã và đang tạo dựng được những bước tiến vững chắc trong một loạt các công nghệ ứng dụng khác nhau. Các bơm gia tốc phân tử tạo nên một đóng góp quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn. Ngoài ra, công nghệ chân không, các máy nén đã thu được những thành công nhất định dựa trên các hệ thống AMB. Tim nhân tạo đang hứa hẹn những bước đi đột phá cho các ứng dụng y sinh trong tương lai không xa. Đầu năm 1987, Akira Chiba đã đề xuất khái niệm cơ bản về động cơ không ổ đỡ. Một năm sau đó, năm 1988, một mô hình động cơ không ổ đỡ đã được xây dựng tại Trường ĐH Khoa học Tokyo. Mẫu phát minh cho ý tưởng về động cơ không ổ đỡ cho các loại máy điện khác nhau, chẳng hạn như: cảm ứng, kích thích vĩnh cửu, 19 từ trở đồng bộ được đệ trình ngay sau đó một năm. Từ đó đến nay, khái niệm này đã được phát triển cho nhiều loại máy điện khác nữa. Kể từ giữa những năm 1990, máy điện không ổ đỡ đã được triển khai nghiên cứu ở Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc và các nơi khác. Sau 27 năm phát triển, những đánh giá khái quát về triển vọng phát triển trong tương lai của các vòng bi từ nói chung và của AMB nói riêng đã được nhận định. H. Bleuler chỉ ra rằng xu hướng tích hợp hệ thống sẽ không còn phát triển nhanh chóng như một số năm trước đây nữa, thay vào đó là sự phát triển các ứng dụng. Hướng phát triển mới cho các vòng bi từ thụ động đang hé mở ra những ứng dụng mới và hứa hẹn sẽ phát triển nhanh chóng. Ngoài ra, các loại ổ đỡ tự cảm biến đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành công thành những ứng dụng công nghiệp. Các vòng bi từ sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật. Các ứng dụng sẽ còn phát triển mạnh trong nhiều các lĩnh vực khác trong vòng 20 năm tới. Các đóng góp tiêu biểu. Năm Công trình nghiên cứu Tác giả Quốc gia 1991 Động cơ không ổ đỡ kích thích vĩnh cửu với động cơ 6 cực và ổ đỡ 4 cực. Động cơ từ cảm không ổ đỡ Bischel Chiba Thụy Sỹ Nhật Bản 1994 Phân tích động cơ AC không ổ đỡ Điều khiển vector cho động cơ cảm ứng không ổ đỡ Chiba Schoeb Nhật Bản Thụy Sỹ 1995 So sánh giữa các vòng bi từ kiểu kích thích vĩnh cửu và kiểu cảm ứng Okada Nhật Bản 1996 Động cơ trượt không ổ đỡ Động cơ treo từ tính hướng trục Schoeb Okada Thụy Sỹ Nhật Bản 1997 Động cơ treo từ tính cho các thiết bị bơm máu Okada Nhật Bản 20 Năm Công trình nghiên cứu Tác giả Quốc gia 1998 Động cơ không ổ đỡ kiểu AMB lai Động cơ trượt không ổ đỡ cho bơm máu ly tâm Okada Ueno Nhật Bản Nhật Bản 1999 Động cơ không ổ đỡ kiểu đơn cực Ichikawa Nhật Bản 2000 Động cơ không ổ đỡ kiểu lực Lorentz Động cơ - Ổ đỡ kết hợp kiểu khe hở hướng trục hai chiều Okada Ueno Nhật Bản Nhật Bản 2003 Bơm tim nhân tạo dùng động cơ không ổ đỡ hướng trục Okada Nhật Bản 2005 Không cảm biến chuyển vị cho động cơ không ổ đỡ Okada Nhật Bản 2006 Động cơ không ổ đỡ kiểu segment Nhận biết lực hướng kính và tốc độ cho các động cơ không ổ đỡ Gruber Chiba Áo Nhật Bản 2007 Động cơ không ổ đỡ kiểu từ trở đồng bộ Takemoto Nhật Bản 2009 Động cơ không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo Asama Nhật Bản 2010 Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động cơ DC không chổi than, không ổ đỡ Grabner Áo 1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu chung a. Các nghiên cứu ở trong nước Các xu hướng nghiên cứu và phát triển cho các vòng bi từ có thể được phân ra làm bốn hướng chính như sau:  Nghiên cứu ứng dụng.  Nghiên cứu thu gọn kích thước.  Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt.  Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại. 21 Tại Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng các vòng bi từ mới được triển khai trong những năm gần đây, do đó số lượng các tác giả có những kết quả công bố hay nghiên cứu đáng kể và chuyên sâu vào lĩnh vực này là chưa nhiều. Bộ môn Tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong những cơ sở sớm có những triển khai liên quan. Các vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu tại đây bao gồm:  Nghiên cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường  Nghiên cứu chế tạo  Các phương pháp điều khiển vòng bi từ  Nghiên cứu thu nhỏ kích thước cho động cơ nâng bằng vòng bi từ  Tích hợp chức năng vòng bi từ dọc trục vào động cơ  ĐK vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ  Nghiên cứu ứng dụng b. Các nghiên cứu ở nước ngoài Trên thế giới, các công bố lên quan đến nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển cho các hệ thống AMB, kể từ những năm 1990 trở lại đây, có sự gia tăng rất đáng kể. Những nước hiện đang đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu này gồm có Nhật Bản, Thụy Sỹ và Brazil và một số nước khác. Ngoài ra, Trung Quốc và Hàn Quốc hiện cũng đang nổi lên như là hai nhân tố mới với nhiều ý tưởng và ứng dụng mới. Đối với hướng nghiên cứu các bộ điều khiển hiện đại ứng dụng cho AMB, một số các nghiên cứu tiêu biểu dưới đây đã được tham khảo đến trong luận văn này. Các tác giả Russell D. Smith và William F. Weldon đã trình bày trong nghiên cứu một phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo từ tính rotor cứng. Thông qua các kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển trượt, các tác giả đã cấu trúc nên một luật điều khiển phi tuyến có thể duy trì trục rotor ở vị trí trung tâm. Các kết quả mô phỏng đã chứng minh khả năng chống nhiễu và bền vững của nó đối với các thông số bất định và các động lực học không mô hình được. 22 Một mô hình toán học của hệ thống AMB với đầu vào điện áp và đầu vào dòng điện ở dạng tiền định đã được Abdul R. Husain, Mohamad N. Ahmad và Abdul H. M. Yatim phát triển và trình bày trong tài liệu. Do các thuộc tính phi tuyến có trong hệ thống chẳng hạn như hiệu ứng hồi chuyển và mất cân bằng trọng lượng đã dẫn đến việc thiết kế một bộ điều khiển động có thể ổn định hóa hệ thống. Để tổng hợp được bộ điều khiển, các tác giả đã chuyển mô hình AMB phi tuyến sang dạng tiền định bằng cách sử dụng các giới hạn trên và dưới cho trước của các thông số và các biến trạng thái của hệ. Tuy vậy kết quả thu được từ nghiên cứu của các tác giả trên còn gặp nhiều hạn chế. 1.5. Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu Động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trục như minh họa trên hình 1.6, đang được coi là một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường. Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc nâng cao tốc độ quay cho động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong những môi trường đặc biệt mà động cơ có trục được đỡ bằng vòng bi cơ không thể làm việc hoặc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao. Ngày nay, động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trục hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và giá thành cao nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu sản xuất thành công các vật liệu mới để giảm kích thước và giảm giá thành thì sự thay thế của động cơ điện loại này cho động cơ điện thông dụng trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ,là điều tất yếu. Luận văn lựa chọn đối tượng nghiên cứu: 23 1) Điều khiển vectơ động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu như trên hình 1.6. a. Cấu tạo của động cơ: Rotor thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và có dạng hình đĩa, kích thước của rotor cần được xác định tối ưu với công suất thiết kế để đảm bảo tính động học tốt nhất cho động cơ. Trong thực tế ở dải công suất nhỏ, rotor của động cơ thường được chế tạo ở dạng nam châm vĩnh cửu để giảm kích thước cũng như tăng cường mật độ công suất cho động cơ. Kích thước và vị trí của các phiến nam châm vĩnh cửu có ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh mô men, lực đẩy kéo và chất lượng của chúng. Trong luận án này nghiên cứu động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ chịu lực dọc trục sử dụng modul rotor kép có gắn các phiến nam châm vĩnh cửu trên bề mặt. Stator bao gồm lõi được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện và các cuộn dây ba pha. Để đảm bảo khả năng thu nhỏ kích thước của động cơ mà không gây ra bão hòa mạch từ, loại thép silicon thường được sử dụng để chế tạo lõi stator. Lõi stator có thể được chế tạo ở dạng 3, 6, 9 hay 12 cực, khi số cực càng lớn thì chất lượng của mô men và lực hút dọc trục càng cao, tuy nhiên việc gia công sẽ đòi hỏi chi phí cao hơn. Các cuộn dây stator sử dụng dây đồng và cuốn ở dạng tập trung. Số lượng cuộn dây sẽ tương đương với số cực của lõi stator. Khung động cơ cố định stator: động cơ bao gồm 2 modul stator đơn, do đó khung động cơ có nhiệm vụ gắn kết các stator thành một khối để đảm bảo khả năng làm việc ổn định ở tốc độ cao. b. Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC: Khi điện áp ba pha được cấp cho các cuộn dây stator, sinh ra các dòng điện (trong dó có thành phần iq) chảy trong nó, sẽ tương tác với từ trường của rotor để tạo ra các mô men quay (M) và dòng điện trong các dây quấn pha (thành phần id) của stator sinh ra các lực đẩy kéo (F) dựa trên nguyên lý của nam châm điện. Nhờ có cấu tạo đặc biệt và nguyên lý làm việc như trên mà rotor của động cơ sẽ không 24 có dịch chuyển dọc trục mặc dù hai đầu trục động cơ là hai ổ đỡ từ. Điều đó cho phép không cần dùng thêm thiết bị chặn chuyển động dọc trục của rotor và vì vậy cấu trúc động cơ trở nên nhỏ gọn hơn. 1.6. Kết luận chương 1 Chương 1 giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu những nét khái quát nhất về động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC: Ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng, cấu tạo và nguyên lý làm việc. - Giới thiệu khái quát về ổ đỡ từ được tích hợp trong hệ thống truyền động. Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về hệ thống truyền động điện trên đây, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC. 25 Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC 2.1. Đặt vấn đề Từ hình 1.6 (chương 1) Mô hình vật lý của động cơ AFPM được minh họa như trên hình 2.1. Do động cơ có cấu trúc đặc biệt, cho nên stator là một hệ thống điện áp 6 pha trong đó đường trục của sáu cuộn dây ba pha 1 1 1 2 2 2A ,B ,C ,A ,B ,C stator là cố định, điện áp A1 B1 C1 A2 B2 C2u ,u ,u ,u ,u ,u và dòng điện A1 B1 C1 A2 B2 C2i ,i ,i ,i ,i ,i đều là đối xứng. Giả thiết hệ thống điện áp A1 B1 C1u ,u ,u lệch pha so với hệ thống A2 B2 C2u ,u ,u một góc  . Rotor quay với tốc độ góc đồng bộ 1, cuộn dây kích từ trên rotor được cung cấp điện áp kích từ pU một chiều tạo ra dòng điện kích từ pI , trục dọc theo cực từ là d, vuông góc với trục d là trục q, tọa độ d-q quay trong không gian với tốc độ quay đồng bộ, giả thiết góc giữa trục d và trục cố định 1A và 2A là  biến thiên theo thời gian. Từ hệ thống sáu pha như hình 2.1, ta tách ra thành hai hệ thống ba pha lệch pha nhau như trên hình 2.2a và hình 2.2b. Sau đây, sẽ gọi là ĐC1 và ĐC2. Hình 2.2: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ iA1 A1 q d Up Ip B1 uC1 iC1 C1 1 C2 A2 B2 uA2 iA2  uC2 iC2 iB2 uB2 uB1 iB1 φ  26 Mạch tương đương từng pha đã được sử dụng rộng rãi trong phân tích trạng thái ổn định của máy điện xoay chiều. Tuy nhiên, chúng không thích hợp để dự đoán đặc tính động của động cơ. Khi nghiên cứu về máy điện và các thiết bị điện, thông thường người ta hay sử dụng sơ đồ mạch thay thế tương đương. Hình 2.2a: Mô hình vật lý của động cơ Hình 2.2b: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 1 có tích hợp ổ từ đồng bộ từ thông dọc trục 2 có tích hợp ổ từ (gọi là động cơ 1) (gọi là động cơ 2) Hình 2.3 là đồ thị vector không gian từ thông và sức điện động của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, trong đó p pF , dọc theo trục d là sức từ động kích từ và từ thông của mạch rotor, sF là sức từ động tổng hợp của 3 pha stator, nó cũng là một vector quay đồng bộ, với một điều kiện phụ tải và kích từ nhất định vị trí tương đối của sF và pF là xác định. Sức từ động tổng hợp của sF và pF là F , từ thông tổng hợp là  . Từ thông  chính là tổng từ thông khe hở không khí của động cơ điện sau khi đã xét tới phản ứng của phần ứng, góc giữa sF và F là s , góc giữa pF và F là p , tất cả các vector này đều quay với tốc độ quay đồng bộ 1 . Cũng giống như khi phân tích động cơ không đồng bộ, sF chia cho số vòng quấn tương iA1 A1 q d Up Ip  B1 uC1 iC1 C1 1 uB1 iB1 C2 A2 B2 q d Up Ip uA2 iA2  1 uC2 iC2 iB2 uB2 27 ứng sẽ là vector tổng hợp si của dòng điện stator. Phân tích nó thành hai thành phần sM sTi ,i , với sMi dọc theo thành phần kích từ của từ thông tổng hợp  , còn sTi là thành phần vuông góc với nó. Tương tự như vậy, vector dòng điện kích từ tương ứng với pI cũng được phân thành hai thành phần pM pTI ,I . Hình 2.3: Vector không gian và góc pha thời gian gần đúng của động cơ đồng bộ; a) Vector không gian từ thông, sức từ động; b) Gócpha dòng điện, điện áp, từ thông Để thiết kế các cấu trúc điều khiển khác nhau của động cơ loại này, cần phải dựa trên mô hình toán của nó. Việc phân tích động cơ ba pha ở đây sẽ dựa trên lý thuyết về hệ qui chiếu. Sử dụng phương pháp này cho phép đơn giản hóa các phương trình động lực của động cơ xoay chiều và trở thành tương tự như những động cơ một chiều. Khi thiết kế hệ thống, muốn nhận được sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng, ta đã phải đưa ra một số giả thiết làm cho kết quả thiết kế vẫn còn lệch khá xa so với thực tế. Muốn nâng cao chất lượng của hệ thống điều chỉnh tốc độ biến tần - động cơ xoay chiều nói chung, động cơ đồng bộ nói riêng và cải thiện phương pháp thiết kế, trước tiên phải làm rõ bản chất trạng thái động của động cơ xoay chiều thông qua mô hình toán học. isT iKM IpT p s Fp(ip) p d q Fs(is)  F (i)   isM s A a) Us isT isM is s  Es s b) 28 2.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ đồng bộ 2.2.1. Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ đồng bộ Từ thông của động cơ điện một chiều sinh ra bởi cuộn dây kích từ, có thể được xác lập từ trước mà không tham gia vào quá trình động của hệ thống (trừ trường hợp điều chỉnh tốc độ bằng giảm từ thông). Vì vậy mô hình toán học trạng thái động của nó chỉ có một biến vào (điện áp mạch phần ứng rotor) và một biến ra (tốc độ quay). Trong đối tượng điều khiển có chứa hằng số thời gian điện cơ mT và hằng số thời gian điện từ mạch điện rotor eT , nếu tính cả thiết bị chỉnh lưu điều khiển tiristor vào đó thì còn có cả hằng số thời gian trễ  của khối chỉnh lưu. Trong ứng dụng kỹ thuật, ở điều kiện cho trước có thể ứng dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển và phương pháp thiết kế kỹ thuật thực dụng để tiến hành phân tích và thiết kế. Tuy nhiên, lý luận và phương pháp nói trên khi vận dụng vào việc phân tích và thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì gặp nhiều khó khăn, phải đưa ra một số giả thiết mới có thể nhận được sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng, bởi vì so sánh giữa mô hình toán học của động cơ điện xoay chiều ba pha và mô hình động cơ điện một chiều có sự khác nhau căn bản: (1) Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống biến tần động cơ xoay chiều ba pha cần phải tiến hành điều khiển phối hợp điện áp và tần số. Như vậy, có hai biến số đầu vào độc lập là điện áp và tần số, nếu khảo sát cả điện áp ba pha thì biến số đầu vào thực tế phải tăng lên. Trong biến số đầu ra, ngoài tốc độ quay, từ thông cũng được tính là một tham số độc lập. Bởi vì động cơ vừa có nguồn điện ba pha lại vừa có nguồn một chiều, việc xác lập từ thông và sự thay đổi tốc độ quay là tiến hành đồng thời, để có chất lượng động tốt, phải làm cho từ thông không thay đổi trong trạng thái động, mới có thể khai thác được mô men lớn,... Vì những nguyên nhân này nên động cơ xoay chiều ba pha có mối quan hệ rất chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau giữa điện áp (dòng điện), tần số, từ thông và tốc độ quay. Cho nên, nó là đối tượng nhiều biến (MIMO). 29 (2) Trong động cơ xoay chiều ba pha, từ thông kéo theo dòng điện sinh ra mô men quay, tốc độ quay kéo theo từ thông nhận được sức điện động cảm ứng quay, bởi vì chúng đồng thời biến đổi, nên trong mô hình toán học có chứa hai biến nhân với nhau, như vậy, dù không khảo sát nhân tố bão hoà từ, mà mô hình toán học cũng là phi tuyến. (3) Mạch stator động cơ xoay chiều ba pha có ba nhóm cuộn dây, mỗi một nhóm khi sản sinh từ thông đều có quán tính điện từ riêng của nó, lại thêm vào quán tính cơ điện của hệ thống chuyển động, vì thế dù cho không xét tới yếu tố chậm sau trong thiết bị biến tần, thì mô hình toán học động cơ xoay chiều ba pha là hệ thống bậc cao. Như vậy, mô hình toán học động cơ xoay chiều ba pha là hệ thống nhiều biến, bậc cao, phi tuyến, ràng buộc nhau rất chặt chẽ. Tuy nhiên, vì kết cấu của động cơ đồng bộ khác với kết cấu của động cơ không đồng bộ, nên cần chú ý những nét riêng biệt sau: stator của nó có ba cuộn dây xoay chiều ba pha, rotor có một cuộn dây kích từ được cấp bởi dòng một chiều (hoặc kích từ nam châm vĩnh cửu). Để làm rõ vấn đề, trước tiên phải bỏ qua một số yếu tố phụ và đưa ra một số giả thiết như sau: (1) Bỏ qua sóng hài không gian, coi ba cuộn dây ba pha đối xứng nhau (về không gian chúng cách nhau 0120 , sức điện động được sinh ra phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở không khí. Bỏ qua ảnh hưởng của điện trở và điện cảm tản cuộn dây stator; (2) Bỏ qua bão hoà mạch từ, tự cảm và hỗ cảm của các cuộn dây đều là tuyến tính; (3) Bỏ qua tổn hao trong lõi sắt từ; không xét tới ảnh hưởng của tần số và thay đổi của nhiệt độ đối với điện trở cuộn dây; (4) Cực của động cơ là ẩn, hoặc bỏ qua sự thay đổi từ trở của cực từ lồi; (5) Không có cuộn dây cản, nói cách khác là bỏ qua hiệu ứng của cuộn dây cản. 30 Trước hết ta xây dựng mô hình toán cho ĐC1 có mô hình vật lý như trên hình 2.3a. 2.2.2. Phương trình điện áp: Căn cứ vào các điều kiện giả thiết đã nêu ra ở mục trên, ta xét động cơ đồng bộ hai cực có kích thích bằng cuộn dây một chiều của rotor, phương trình điện áp tổng quát của động cơ đồng bộ được viết thành: A1 A1 A1 1 B1 B1 B1 1 C1 C1 C1 1 p p p p d u i R dt d u i R dt d u i R dt d U I R dt             (2.1) trong đó: A1 B1 C1 pu ,u ,u ,U : giá trị tức thời của điện áp pha stator, rotor; A1 B1 C1 pi ,i ,i ,I : giá trị tức thời của dòng điện pha stator, rotor; A1 B1 C1 p, , ,    : từ thông của các cuộn dây các pha stator, rotor; 1 pR ,R : đi