Bài giảng Điều khiển máy điện nâng cao - Bài 2: Mô hình và điều khiển máy điện DC - Nguyễn Quang Nam

1Bài giảng 2
Bài giảng
Điều Khiển Máy Điện Nâng Cao
Mô hình và điều khiển máy điện DC
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 2

 Sơ đồ bao gồm dây quấn kích từ, dây quấn phần ứng, 
dây quấn bù, và bộ đổi chiều.
Máy DC kích từ độc lập
3Bài giảng 2

 Vì có mặt dây quấn bù, có thể coi phản ứng phần ứng bị
triệt tiêu, nghĩa là từ thông kích từ (phần cảm) chỉ hướng 
dọc trục α.

 Điện kháng tản của dây quấn phần ứng sẽ tạo ra một 
thành phần từ thông dọc trục β, và không thể bị khử bởi dây 
quấn bù.

 Quan hệ giữa từ thông và dòng kích từ thường là phi 
tuyến.

 Máy dùng NCVC có kích thước nhỏ hơn, nhưng mất khả 
năng điều chỉnh từ thông kích từ.
Máy DC kích từ độc lập (tt)
4Bài giảng 2

 Giả sử bộ đổi chiều lý tưởng (giữ cho dòng điện phần 
ứng luôn luôn dọc theo trục β):

 Quan hệ điện áp có thể được xác định từ
Số hạng thứ nhất và thứ hai lần lượt là công suất tức thời đi 
vào bộ đổi chiều từ phía stato và từ phía rôto.

 Kết hợp hai phương trình trên dẫn đến
Mô hình ký hiệu của máy DC
θj
a
xy
a ejII −=
r
{ } 0*)(Re =+ xyaxyaaa iuiu rr
{ }θjxyaa euu rIm−=
5Bài giảng 2

 Ta có mô hình IRTF của máy DC thể hiện các quá trình 
chuyển đổi như dưới đây.

 Với mô hình này, công suất điện ở phía stato và rôto 
được quy ước là dương khi hướng đến và đi khỏi mô hình, 
một cách tương ứng.
Mô hình IRTF của máy DC (tt)
6Bài giảng 2

 Hệ phương trình mô tả mô hình ký hiệu này của máy DC 
cho bởi
Mô hình ký hiệu của máy DC (tt)
xy
aa
xy
axy
a iRdt
d
u
r
r
r
−=
ψ
xy
aa
xy
m
xy
a iL
rrr
−=ψψ
( ) ffmafmm iLiiL ψψ ααααα ==−=
( ) 0=−= ββββψ afmm iiL
7Bài giảng 2

 Hệ phương trình kết quả
với số hạng ψfe-jθ chính là từ thông từ hóa trong hệ quy 
chiếu quay.

 Chú ý: ở trạng thái xác lập, tất cả các biến trong hệ quy 
chiếu quay xy đều là hàm hình sin.
Mô hình ký hiệu của máy DC (tt)
xy
aa
xy
axy
a iRdt
d
u
r
r
r
−=
ψ
xy
aa
j
f
xy
a iLe
rr
−=
− θψψ
8Bài giảng 2

 Từ 2 pt trên, ta rút ra được mô hình tổng quát dưới đây
Mô hình tổng quát của máy DC
9Bài giảng 2

 Trong mô hình vừa rồi, các vectơ không gian dòng điện, 
điện áp, và từ thông móc vòng ở phía phần ứng được xác 
định dựa vào một hệ quy chiếu gắn vào trục máy.

 Trong phần này, phép biến đổi định hướng từ trường sẽ 
được giới thiệu (và là phép biến đổi quan trọng trong các bộ
truyền động AC ba pha).

 Trọng tâm của khái niệm là việc đặt một mặt phẳng phức 
gồm một trục dọc Rdq và một trục ngang Idq thẳng hàng 
vectơ từ thông , như trong slide tiếp theo.
Mô hình định hướng trường
xy
mψ
r
θψψ jxymdqm e
rr
= f
dq
m ψψ =
r
10Bài giảng 2
Mô hình định hướng trường (tt)
dq
am
dq
aa
dq
adq
a jiRdt
d
u ψωψ r
r
r
r
−−=
dq
aaf
dq
a iL
rr
−=ψψ
dq
afe iT
rr
×=ψ
11Bài giảng 2
Mô hình định hướng trường (tt)
fm
a
aaaa dt
diLiRu ψω++=
afe iT ψ=

 Áp dụng quy tắc tính ua ở slide 4, và

 Thành phần dọc trục của ua có thể xác định là bằng 0, do 
đó mô hình có thể xây dựng dựa trên trục ngang.
a
dq
a jii =
r
12Bài giảng 2
Mô hình định hướng trường (tt)

 Mô hình vừa được xây dựng cho thấy có thể điều khiển 
mômen bằng cách thay đổi dòng điện phần ứng và/hoặc từ
thông kích từ.

 Tuy nhiên, do hằng số thời gian của mạch kích từ thường 
lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng, nên phương pháp 
điều chỉnh mômen bằng dòng phần ứng thường được dùng.

 Phương pháp điều khiển dòng điện cũng có hiệu suất cao 
hơn so với một máy điện được điều khiển bằng điện áp.
13Bài giảng 2
Điều khiển động cơ DC kích từ độc lập

 Thuật ngữ “điều khiển” thường liên quan đến việc đạt 
được một đáp ứng động được đặt ra đối với mômen và kích 
từ.

 Cách tiếp cận cơ bản là nghịch đảo mô hình động định 
hướng từ trường của nguồn dòng với mục đích tạo ra dòng 
tham chiếu đối với một giá trị mômen cho trước.

 Mục tiêu thứ hai là tích hợp khái niệm điều khiển dòng 
với một máy được cấp nguồn áp.

 Ngoài ra, cũng cần xem xét hoạt động tối ưu của mạch 
trong điều kiện ràng buộc về nguồn, khả năng tải dòng của 
máy và linh kiện công suất.
14Bài giảng 2
Khái niệm bộ điều khiển

 Việc điều khiển bộ truyền động điện DC có thể được thực 
hiện bằng cách xem mômen yêu cầu là một ngõ vào, và tính 
ra dòng điện phần ứng yêu cầu đối với bộ điều khiển dòng.

 Với các máy DC dùng NCVC, từ thông kích từ ψf là hằng 
số, do đó dòng điện phần ứng là biến điều khiển duy nhất 
để điều khiển mômen.
15Bài giảng 2
Khái niệm bộ điều khiển (tt)

 Tuy nhiên, dòng điện phần ứng cần được giới hạn, để 
đảm bảo không vượt quá khả năng chịu đựng của máy hay 
của bộ biến đổi.

 Nếu mạch được kích từ bằng một nguồn điện, bộ điều 
khiển sẽ có thêm một bậc tự do, và có thể được khai thác 
tốt khi cần vận hành máy ở tốc độ cao.

 Ở điều kiện bình thường, từ thông được đặt bằng giá trị
cực đại (cho phép), để cực tiểu hóa dòng điện phần ứng. Ở
tốc độ cao, có thể cần giảm từ thông để cho phép đạt được 
tốc độ đó, trong điều kiện điện áp nguồn bị giới hạn.
16Bài giảng 2
Khái niệm bộ điều khiển (tt)

 Từ đó, dẫn đến cấu trúc điều khiển dưới đây, nhằm tối ưu 
hóa sự vận hành của máy DC trong các giới hạn vận hành 
xác lập của nó.

 Các biến điều khiển và có thể bị chặn dựa vào các 
giới hạn vận hành của máy.
c
ai
c
fψ
17Bài giảng 2
Các giới hạn vận hành
18Bài giảng 2
Các giới hạn vận hành (tt)

 Tồn tại giới hạn dòng điện phần ứng (MA), thể hiện bởi 
vòng tròn màu đỏ.

 Cũng tồn tại giới hạn từ thông cực đại (MF), thể hiện bởi 
vòng tròn màu xanh (có bán kính tỷ lệ nghịch với tốc độ và 
điện cảm phần ứng, và tỷ lệ thuận với điện áp phần ứng).

 Ngoài ra, với quan điểm tận dụng khả năng tạo mômen 
đối với dòng phần ứng đã cho, có thể rút ra luật điều khiển 
sau:
0=adi
max0 aaq ii ±→=
19Bài giảng 2
Các giới hạn vận hành (tt)

 Ở chế độ làm yếu từ trường (tốc độ cao hơn tốc độ nền)
20Bài giảng 2
Các giới hạn vận hành (tt)

 Các vùng làm việc khi có sử dụng làm yếu từ trường. Ở
vùng C, từ thông ở giá trị cực tiểu để tránh phóng điện bộ 
đổi chiều quá mức.
21Bài giảng 2
Hệ truyền động mô hình IRTF với nguồn dòng
22Bài giảng 2
Hệ truyền động mô hình IRTF với nguồn áp

 Tham khảo tài liệu.