Nghiên cứu ứng dụng thiết bị điện tử công suất và thiết bị điều khiển logic khả trình vào điều khiển động cơ không đồng bộ roto dây quấn công suất lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
-------

-------

HỒ THỊ KIM LIÊN

NGHI£N CøU øNG DơNG THIÕT BÞ ĐIệN Tử
CÔNG SUấT Và THIếT Bị ĐIềU KHIểN LOGIC
KHả TRìNH VàO ĐIềU KHIểN ĐộNG CƠ
KHÔNG ĐồNG Bộ ROTO DÂY QUấN
CÔNG SUÊT LíN
LíN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2006


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai cơng bố trong bất kì cơng trình nào khác.
Hà nội, ngày

tháng

năm 2006

Hồ Thị Kim Liên


LỜI CẢM ƠN

Trãi qua một thời gian làm luận văn tốt nghiệp, Em xin chân thành bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc, kính trọng đến Thầy giáo PGS.TS Thái Duy Thức, người
đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp và Thầy
đã dành thời gian đọc, sửa chữa nội dung luận văn này. Em trân trọng cảm ơn
tất cả các Thầy giáo, cô giáo đã tận tình dạy bảo trong suốt quá trình học tập
tại trường.
Trong q trình tìm tịi, nghiên cứu, mặc dù em đã cố gắng rất nhiều
nhưng không tránh khỏi những thiếu sót do thời gian hạn chế. Vì vậy, em rất
mong nhận được sự đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và những bạn bè
quan tâm.
Hà nội, ngày

tháng

năm 2006

Hồ Thị Kim Liên


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục sơ đồ và hình vẽ
MỞ ĐẦU
Chương 1- TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB
1.1. Đặt vấn đề : ........................................................................................ 5
1.2. Điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp thay đổi điện trở
phụ trong mạch roto theo cấp : ............................................................ 6
1.3. Điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp thay đổi điện áp
mạch stato : ......................................................................................... 14
1.3.1. Nguyên lý hoạt động :...................................................................... 14
1.3.2. Điều khiển tốc độ ĐC bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn: .. 15
1.4. Điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp thay đổi điện trở
phụ bằng bộ băm xung điện trở mạch roto : ........................................ 18
1.4.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID :............................................................ 22
1.4.2. IGBT (transistor có cực điều khiển cách ly) :................................... 23
1.4.3. Nguyên lý làm việc của chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển : ...... 25
Chương 2- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐCKĐB BẰNG PHƯƠNG
PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ THEO CẤP TRONG MẠCH ROTO

2.1. Đặt vấn đề : ....................................................................................... 34
2.2. Thông số kỹ thuật của động cơ : ........................................................ 34
2.3. Xác định giá trị điện trở khởi động trong mạch roto .......................... 35


2.4. Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp thay đổi
điện trở phụ theo cấp trong mạch roto : ................................................. 37
2.4.1. Các khối chức năng mô phỏng :....................................................... 38
2.4.2. Kết quả mô phỏng : ......................................................................... 42
Chương 3- NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ HỢP LÝ CỦA HỆ

THỐNG ĐK.ĐCKĐB BẰNG BỘ BĂM XUNG ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTO

3.1. Đặt vấn đề : ........................................................................................ 48
3.2. Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng bộ băm xung điện trở mạch
roto theo hệ hở : ................................................................................... 49
3.2.1. Kết quả mô phỏng : ........................................................................ 50
3.2.2. Kết luận mô phỏng : ....................................................................... 63
3.3. Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng bộ băm xung điện trở mạch
roto theo hệ kín : .................................................................................. 68
3.3.1. Đặt vấn đề : ..................................................................................... 68
3.3.2. Sơ đồ mô phỏng tốc độ ĐCKĐB theo hệ thống kín : ....................... 69
Chương 4-NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-200 VÀO ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KĐB ROTO DÂY QUẤN

4.1. Đặt vấn đề : ........................................................................................ 86
4.2. Ứng dụng lập trình PLC S7-200 vào điều khiển tốc độ động cơ: ........ 86
4.2.1. Lựa chọn thiết bị :............................................................................ 88
4.2.2 : Các bước tiến hành lập trình : ......................................................... 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Các ký hiệu và chữ viết tắt
1. Các ký hiệu
U1

trị hiệu dụng điện áp pha stato.

I0

dịng từ hóa

I1

dịng stato

I1

dịng roto

I ’2

dịng roto quy đổi về stato.

X0

điện kháng mạch từ hóa

X1

điện kháng stato

X’2

điện kháng pha roto quy đổi về stato.

R1

điện trở pha stato

R2

điện trở pha roto

Rf

điện trở phụ

S

hệ số trượt

Sth

hệ số trượt tới hạn

Sthnt

hệ số trượt tới hạn nhân tạo

M

momen của động cơ

Mth

momen tới hạn

Mkđ

momen khởi động

Mmax

momen cực đại

Mc

momen cản


ω

tốc độ góc động cơ

ω0

tốc độ góc của từ trường quay

f

tần số điện áp nguồn đặt vào động cơ

Kp

hệ số tỉ lệ

Ki

hệ số tích phân

Kd

hệ số đạo hàm

2. Danh mục viết tắt
ĐCKĐB động cơ khơng đồng bộ
IGBT

PID

transistor có cực điều khiển cách ly
(Insulated Gate Bipolar Tranzito).
bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân
(Proportional- Intergral- derivative)

PWM

Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse width modulator).

ĐTĐK

Đối tượng điều khiển

TBĐK

Thiết bị điều khiển


Danh mục sơ đồ và hình vẽ

Hình 1.1

Sơ đồ thay thế 1pha của động cơ KĐB

Hình 1.2

Đặc tính cơ của ĐCKĐB theo hàm ω=f(M), M=ϕ(S)

Hình 1.3

Sơ đồ nguyên lý và các họ đặc tính của ĐCKĐB

Hình 1.4

Đặc tính cơ

Hình 1.5

Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp
thay đổi điện áp nguồn.

Hình 1.6

Họ đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi điện áp nguồn.

Hình 1.7

Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ bằng bộ băm xung
điện trở mạch roto

Hình 1.8

Sơ đồ đấu song song, nối tiếp IGBT

Hình 1.9

Điều chỉnh xung trở mạch roto

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Hình 1.11 Cấu trúc bán dẫn và các ký hiệu trên sơ đồ IGBT
Hình 1.12 Sơ đồ mạch thay thế và đặc tính ra (VA) của IGBT
Hình 1.13 Sơ đồ ngun lý của chỉnh lưu cầu 3pha khơng điều khiển
Hình 1.14 Các khoảng dẫn của điốt trong sơ đồ cầu
Hình 1.15 Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu cầu 3pha không điều khiển
Hình 1.16 Đường cong dịng, áp chỉnh lưu khi tải R
Hình 1.17 Đường cong dịng, áp chỉnh lưu khi tải R và L lớn
Hình 1.18 Đường cong dịng, áp chỉnh lưu khi tải R, E < Ud
Hình 1.19 Đường cong dịng, áp chỉnh lưu khi tải R, E > Ud
Hình 1.20 Đường cong dòng, áp chỉnh lưu khi tải R, L, E < Ud
Hình 1.21 Đường cong dịng, áp chỉnh lưu khi tải R, L, E > Ud


Hình 2.1

a) Sơ đồ ngun lý, b) Họ đặc tính cơ của động cơ KĐB

Hình 2.2

Mơ phỏng hệ thống điều khiển 8 cấp điện trở trong mạch roto

Hình 2.3

Nguồn áp xoay chiều hình sin

Hình 2.4

Cửa sổ khai báo của tham số breaker

Hình 2.5

Cửa sổ khai báo của tham số của ĐC KĐB roto dây quấn

Hình 2.6

Cửa sổ khai báo của tham số nhánh RLC và khối step

Hình 2.7

Đặc tính cơ khi khởi động M=f(t) với Mc =0

Hình 2.8

Momen điện từ khi khởi động M=f(t) với Mc = 0

Hình 2.9

Momen điện từ khi khởi động M=f(t) với Mc = 0

Hình 2.10 Tốc độ của động cơ khi khởi động ω=f(t) với Mc = 0

Hình 2.11 Dịng điện của động cơ khi khởi động với Mc = 0
Hình 2.12 Dịng điện stato ổn định với Mc = 0
Hình 2.13 Đặc tính cơ của động cơ khi M=f(t); Mc= 250Nm
Hình 2.14 Dịng stato của động cơ khi khởi động với Mc= 250Nm
Hình 2.15 Tốc độ của động cơ khi khởi động ω=f(t) với Mc= 250Nm
Hình 3.1

Sơ đồ mơ phỏng điều khiển động cơ KĐB bằng
phương pháp băm xung điện trở mạch roto (hệ hở)

Hình 3.2

Kết quả mơ phỏng của Iroto, Istato, tốc độ, momen điện từ L=0

Hình 3.3

Kết quả mơ phỏng điện áp ra mạch roto, áp 1chiều, áp trên điện
trở, dòng 1chiều khi L=0H

Hình 3.4

Kết quả mơ phỏng của Iroto, Istato, tốc độ, momen điện từ khi
L=0,001H

Hình 3.5

Kết quả mơ phỏng điện áp ra mạch roto, áp 1chiều, áp trên điện
trở, dòng 1chiều khi L=0,001H

Hình 3.6

2 chu kỳ đầu của dịng và áp khi L=0,001H; f=1000Hz


Hình 3.7

Kết quả mơ phỏng của dịng và áp khi L=0,0015H; f=1000Hz

Hình 3.8

2 chu kỳ đầu của dịng và áp khi L=0,0015H; f=1000Hz

Hình 3.9

Lúc ổn định của dịng và áp khi L=0,0015H; f=1000Hz

Hình 3.10 Lúc ổn định của dịng và áp khi L=0,0015H; f=500Hz
Hình 3.11 2 chu kỳ đầu của dịng và áp khi L=0,0015H; f=500Hz
Hình 3.12 Kết quả mơ phỏng của dịng và áp khi L=0,0015H; f=1500Hz
Hình 3.13 Lúc ổn định của dịng và áp khi L=0,0015H; f=1500Hz
Hình 3.14 2 chu kỳ đầu của dòng và áp khi L=0,0015H; f=1500Hz
Hình 3.15

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống ĐK tốc độ ĐCKĐB bằng phương
pháp băm xung điện trở mạch roto (hệ hở) khi lắp thêm bộ lọc

Hình 3.16 Kết quả dịng và áp khi lắp thêm bộ lọc
Hình 3.17 Sơ đồ hệ thống điều khiển kín
Hình 3.18

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển theo hệ kín và xác định
các tham số tối ưu

Hình 3.19 Sơ đồ cấu trúc của PID
Hình 3.20 Bảng khai báo và sơ đồ cấu trúc của khối current controller
Hình 3.21 Tốc độ động cơ khi PID nhận các hệ số khác nhau
Hình 3.22 Bảng thơng số Kd, Ki, Kp tối ưu của khối PID
Hình 3.23 Dịng roto, stato, tốc độ, momen điện từ khi ωđặt = 157,5rad/s
Hình 3.24 Áp ra roto, áp 1chiều, áp trên điện trở, dịng 1chiều, ωđặt =157,5
Hình 3.25 Dịng đặt – dịng thực tế, xung điều khiển khi ωđặt=157,5rad/s
Hình 3.26 Kết quả phóng to,Iđặt- Ithực tế và xung ĐK khi ωđặt =157,5rad/s
Hình 3.27 Dòng roto, stato, tốc độ, momen điện từ khi ωđặt= 40rad/s
Hình 3.28 Áp ra roto, áp 1chiều, áp trên trở, dịng 1chiều khi ωđặt=40rad/s
Hình 3.29 Dịng đặt - thực tế và xung điều khiển khi ωđặt=40rad/s


Hình 3.30 Phóng to kết quả Iđặt - Ithực tế và xung điều khiển, ωđặt=40rad/s.
Hình 3.31 Dịng roto, stato,tốc độ, Te và Iđặt-Ithực tế khi ωđặt=80rad/s.
Hình 3.32 Dịng và áp khi ωđặt=120rad/s.
Hình 4.1

Mơ hình hệ thống điều khiển

Hình 4.2

Hình 4.2. Hệ thống điều khiển bằng PLC

Hình 4.3

Bảng khai báo bộ điều khiển PID

Hình 4.4

Chọn vịng điều khiển PID

Hình 4.5

Bảng khai báo thơng số của PID

Hình 4.6

Bảng khai báo tín hiệu vào – ra của PID

Hình 4.7

Bảng khai báo ngưỡng cảnh báo -bảo vệ của PID

Hình 4.8

Bảng chọn vùng lưu thơng của PID

Hình 4.9

Bảng kết thúc quá trình khai báo của PID

Hình 4.10 Chọn chế độ điều chế độ rộng xung PWM
Hình 4.11 Hình 4.11. Bảng tín hiệu điều chế PWM
Hình 4.12 Bảng chọn chế độ điều khiển độ rộng xung cho đầu ra.
Hình 4.13 Bảng kết thúc khai báo bộ điều chế độ rộng xung PWM

-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trước đây, động cơ một chiều chiếm ưu thế mạnh trên thị trường và
trong công nghiệp do ưu điểm nổi bật về khả năng điều khiển dễ dàng, chính
xác và độ tin cậy cao. Động cơ xoay chiều ba pha lúc đó chưa đáp ứng được
yêu cầu của ngành công nghiệp cần điều chỉnh tốc độ bởi có sự khó khăn
trong điều khiển và áp đặt nhanh momen quay cho động cơ.
Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của động cơ xoay chiều so với động cơ một
chiều là:
- Dễ chế tạo.
- Vận hành tin cậy và an tồn trong mơi trường nguy hiểm về cháy nổ
do khơng có đánh lửa ở cổ góp điện.
- Giá thành rẻ.
- Kích thước nhỏ, gọn và mẫu mã đơn giản.
Để tận dụng những ưu điểm nói trên các nhà khoa học đã khơng ngừng
tìm kiếm, khám phá các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều ba pha.
Nhưng trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hồn thiện của các bộ
biến đổi cơng suất với kích thước gọn nhẹ, độ tác động cao dễ ghép nối với
mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử, vi xử lý, điện tử công suất trong việc
điều khiển động cơ xoay chiều ba pha đã có thể thực hiện dễ dàng hơn, chính
xác hơn. Đồng thời có khả năng đáp ứng nhanh thời gian thực với chất lượng
điều khiển cao. Chính vì điều đó nên người ta đang có xu hướng chuyển sang
sử dụng động cơ xoay chiều thay thế triệt để động cơ một chiều.
Trong đó, động cơ khơng đồng bộ nói chung và động cơ khơng đồng bộ
roto dây quấn nói riêng được vận hành trong thực tiễn để điều khiển tốc độ
động cơ bằng phương pháp dùng biến trở và được sử dụng nhiều trong các mỏ

-2-

hầm lò cho các thiết bị nâng. Việc dùng biến trở để điều khiển gây tổn năng
lượng lớn, tốc độ điều khiển không êm dịu, phạm vi điều chỉnh tốc độ thấp và
phụ thuộc vào tải. Vì vậy, để việc điều khiển dễ dàng và đạt được tốc độ tốt
hơn, do đó ta cần nghiên cứu cải tiến hệ thống điều khiển cũ mà hiện nay
trong các nhà máy, xí nghiệp, mỏ hầm lò vẫn còn sử dụng là đầu tư các thiết
bị điện tử công suất.
Những năm gần đây sự phát triển của điện tử công suất đã đẩy mạnh
việc ứng dụng của động cơ không đồng bộ trong các truyền động yêu cầu điều
chỉnh nhuyễn tốc độ, với giá thành ngày càng rẻ và tính năng điều khiển ngày
càng được nâng cao của bộ biến đổi công suất đã dần thay thế các hệ truyền
động điều khiển cổ điển.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ điện là dạng cơ cấu chấp hành phổ biến nhất trong các hệ
thống điều khiển truyền động. Với nhiệm vụ của một khâu chuyển đổi dòng
năng lượng điện thành cơ năng, động cơ điện cần được điều chỉnh đáp ứng
được yêu cầu về điều khiển chính xác, độ tin cậy và khả năng tự động hóa
cao. Vì vậy, khi sử dụng điều khiển tốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi điện
tử công suất là một lĩnh vực rộng và đang ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp. Tuy nhiên trong điều kiện thời gian cho phép, đề tài này chỉ giới hạn
nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp
băm xung điện trở mạch roto và nghiên cứu hệ thống điều khiển tốc độ, chọn
phương pháp điều khiển tối ưu.
3. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng bộ
băm xung điện trở mạch roto và đồng thời xác định các tham số hợp lý của hệ
thống điều khiển.

-3-

Tổng hợp phương pháp điều khiển và đưa ra giải pháp điều khiển tối ưu
cho động cơ theo hệ thống kín và hệ thống hở.
Kiểm chứng và mơ phỏng những kết quả tính tốn đó trên phần mềm
Matlab và Simulink.
4. Nội dung nghiên cứu
- Ứng dụng các thiết bị điện tử công suất để điều khiển tốc độ động cơ
KĐB bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ bằng bộ băm xung điện trở
trong mạch roto.
- Nghiên cứu xác định các tham số hợp lý của hệ thống điều khiển tốc
độ động cơ KĐB bằng phương pháp băm xung điện trở trong mạch roto.
- Xây dựng sơ đồ điều khiển tự động để điều khiển tốc độ động cơ theo
hệ thống kín và hệ thống hở.
5. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài này tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: điều khiển tốc độ động cơ bằng
phương pháp thay đổi điện trở phụ trong mạch roto và bộ băm xung điện trở
mạch roto, đồng thời nghiên cứu xác định các tham số hợp lý của hệ thống
điều khiển.
- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành mô phỏng đánh giá q trình
điều khiển của hệ thống kín và hệ thống hở nhằm tối ưu hóa việc điều khiển
tốc độ động cơ.
- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành mô phỏng đánh giá q trình
điều khiển của hệ thống kín và hệ thống hở nhằm tối ưu hóa việc điều khiển
tốc độ động cơ.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Làm phong phú thêm hiểu biết về phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp, mỏ hầm lò v.v…

-4-

Cải tiến các hệ điều khiển theo cấp, thành hệ điều khiển vô cấp, sử
dụng đơn giản và rẻ tiền.
Xây dựng được mơ hình cho hệ thống điều khiển tự động để điều khiển
tốc độ động cơ không đồng bộ roto dây quấn.
Góp phần cải tiến phương pháp điều khiển tốc độ động KĐB đang
được sử dụng rộng rãi ở nước ta.
7. Cơ sở lý thuyết được sử dụng
Luận văn được nghiên cứu và viết trên cơ sở:
Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp điều khiển dựa trên cơ sở lý
thuyết truyền động điện tự động.
Ngồi ra nghiên cứu cịn vận dụng lý thuyết từ những tài liệu tham
khảo đã liệt kê vào phần cuối của luận văn.
8. Bố cục luận văn
Nội dung bố cục luận văn được phân bố theo các nội dung chính gồm 4
chương: có mở đầu, kết luận, mục lục và danh mục tài liệu tham khảo.
Trong khn khổ luận văn này, tác giả tìm hiểu về khả năng của
phương pháp ứng dụng các thiết bị điện tử công suất và thiết bị điều khiển
logic khả trình áp dụng cho đối tượng động cơ khơng đồng bộ roto dây quấn.
Vì mục tiêu cuối cùng của luận văn này là: “Nghiên cứu ứng dụng các
thiết bị điện tử công suất và thiết bị điều khiển logic khả trình vào điều
khiển động cơ khơng đồng bộ roto dây quấn công suất lớn”.
Tuy nhiên để hiểu rõ hơn về bản chất của từng linh kiện điện tử công
suất sử dụng trong sơ đồ điều khiển, chúng ta cần mô phỏng hoạt động của
chúng bằng phần mềm Matlab và Simulink.
Trong q trình tính tốn và mơ phỏng bắt nguồn từ việc tìm hiểu động
cơ khơng đồng bộ ba pha nên trước hết xin bắt đầu cơ sở lý thuyết từ đây.

-5-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1. Đặt vấn đề
Động cơ không đồng bộ (KĐB) là một loại máy điện xoay chiều được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các loại động
cơ khác, nhất là động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc. Ưu điểm của loại động
cơ này là có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành an
toàn, làm việc được với mọi môi trường và sử dụng nguồn điện cấp trực tiếp
từ lưới điện xoay chiều ba pha dẫn đến giảm số lượng thiết bị đi kèm.
Tuy nhiên, với các hệ truyền động động cơ không đồng bộ có điều
chỉnh tốc độ lại chiếm một tỷ trọng rất nhỏ, do việc điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ gặp nhiều khó khăn hơn, đó là nó có cấu tạo phần cảm và
phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như momen sinh ra phụ
thuộc nhiều vào tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện
động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến
mạnh làm cho đặc tính mở máy xấu, điều chỉnh tốc độ và khống chế q trình
q độ gặp khó khăn. Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật vi tính, vi xử lý
đã cho phép giải quyết một số bài toán phức tạp điều khiển động cơ KĐB ba
pha. Và do sự hồn thiện của kỹ thuật điện tử cơng suất với sự ra đời của
tiristor (năm 1960), tiristor khóa bằng cực điều khiển GTO (Gate turn off
thyristor) (năm 1970), Transistor công suất kỹ thuật MOS (Metal Oxide
Semiconductor) (năm 1980), Transistor lưỡng cực cổng cách điện IGBT
(Inuladed Gate Bpolar Transistor) (năm 1990) với ưu điểm chuyển mạch
nhanh, tính năng dịng áp cao, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao nên

ngày nay các bộ biến đổi kỹ thuật công suất, các bộ biến tần số hoàn toàn


-6-

chiến ưu thế. Điều đó dẫn đến xu hướng thay thế triệt để truyền động điện
một chiều bởi truyền động điện xoay chiều ba pha.
Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc
độ động cơ KĐB sau đây:
- Điều chỉnh điện trở phụ Rf trong mạch Roto.
- Điều chỉnh điện áp U đấu vào Stato của động cơ.
- Điều chỉnh công suất trượt P1S.
- Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp bằng bộ biến tần nguồn áp hoặc
nguồn dòng
Sau đây, xét các phương pháp nêu trên:
1.2. Điều khiển tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi điện trở
phụ Rf trong mạch roto theo cấp
Như đã nêu trên mục 1.1, khác với động cơ một chiều, động cơ xoay
chiều ba pha không đồng bộ được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách
biệt. Từ thông cũng như momen sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Vì vậy,
khi thay đổi điện trở phụ trong mạch roto sẽ làm thay đổi hệ số trượt tới hạn
cịn momen tới hạn của động cơ vẫn khơng thay đổi. Từ đó có thể điều chỉnh
được tốc độ của động cơ, tốc độ của động cơ sẽ thay đổi khi ta thay đổi điện
trở phụ trong mạch phần ứng, điện áp đấu vào động cơ hoặc từ thông mạch
phần ứng.

Hình 1.1. Sơ đồ thay thế 1pha của động cơ KĐB


-7-

Các ký hiệu sử dụng trong sơ đồ hình 1.1 như sau:
R1: Điện trở pha Stato.
R’2/S: Điện trở roto quy đổi về điện áp và tần số stato.
Rf’/S: Điện trở đấu vào 1pha roto quy đổi về tần số và điện áp.
X0 : Điện kháng mạch từ hóa.
X1 : Điện kháng pha stato.
X’2: Điện kháng pha roto quy đổi về stato.
I0 : Dịng từ hóa.
I1 : Dịng điện stato.
I’2: Dịng roto quy đổi về stato.
U1: Trị hiệu dụng điện áp pha stato.
S : Hệ số trượt của động cơ.
Từ sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ (như hình 1.1), qua
biến đổi ta có biểu thức sau:
M =

3U12 R2' S
2
2
ω0 ( R1S + R2' ) + ( X nm S ) 





Trong đó:
U1: Trị hiệu dụng điện áp pha stato.
R1: Điện trở pha Stato.
R’2/S: Điện trở roto quy đổi về điện áp và tần số stato.

S: Hệ số trượt của động cơ.

S=

ω0 − ω
ω0

ω0: Tốc độ góc của từ trường quay.
ω: Tốc độ góc của động cơ. ω0 =

2π f1
P

f1: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato.
P: Số đôi cực của động cơ.

(1.1)


-8-

Từ biểu thức (1.1) chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ khơng
đồng bộ, vì nó quan hệ giữa momen và hệ số trượt cũng là quan hệ giữa
mômen và tốc độ.
Momen điện từ của động cơ không đồng bộ là hàm của hệ số trượt S, vì
vậy muốn tìm cực trị của hàm này ta lấy đạo hàm của momen M theo hệ số
trượt S và cho bằng không.

2
 − R12 − X nm

2
'
3U 1 R2 
dM
=
.
dS
ω0

R2'
2 
S   R1 +
S
 

2
 R2'  
+
 
 S  
=0
2
2


2
 + X nm 



(1.2)

Giải (1.2) ta tìm được giá trị của hệ số trượt S để cho momen M đạt cực
trị. Giá trị cực trị đó ký hiệu là Mth và Sth
S th = ±

R2'

(1.3)

2
R12 + X nm

Thay (1.3) vào (1.1), ta tìm được momen Mth
3U12

M th =

)

(

2

2ω0  R1 ± R12 + X nm



(1.4)

Dấu (+) trong biểu thức (1.3) và (1.4) biểu hiện cho trạng thái động cơ,
còn dấu trừ biểu hiện cho trạng thái máy phát. Momen tới hạn Mth ở trạng thái
máy phát lớn hơn Mth ở trạng thái động cơ.
Khi S = 1 (ω = 0), momen của động cơ lúc đó là momen khởi động.
M kd =

3U12 R2'
2 
ω0 ( R1 + R2' ) + X nm

2



( N .m )

(1.5)



Ở các động cơ khơng đồng bộ có cơng suất vừa và lớn thường điện trở
R1<< Xnm, vì vậy để tính gần đúng có thể bỏ qua giá trị điện trở R1, khi đó:
M

th

= ±

3U 12
2ω 0 X nm

(1.6)


-9-

M kd =

3U 12 R2'
2 
ω 0  R2' + X nm

2

( N .m )

R2'
Sth = ±
Xnm

(1.7)

(1.8)

Trong đó: Xnm= x1 + x2’ : Điện kháng ngắn mạch.

Việc sử dụng phương trình đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ
được biểu diễn với công thức (1.1) nhiều khi không thuận tiện vì u cầu phải
biết các thơng số của động cơ như: Điện trở pha stato R1, điện kháng pha stato
X1, điện kháng pha roto quy đổi vể stato X’2…đó là những thơng số khơng có

được trong thực tế.
Vì vậy, để việc tính tốn dễ dàng hơn chúng ta biểu diễn các đặc tính
cơ của động cơ khơng đồng bộ theo cách lập tỷ số hai biểu thức (1.1) và (1.3):
Ta có:

2 (1 + aSth )
M
=
S Sth
M th
+
+ 2aSth
Sth
S

trong đó đặt: a = ±

Suy ra ta có: M =

R1
R 2'

2 M th (1 + aSth )
S
S
+ th + 2aSth
S th
S

(1.9)

(1.10)
(1.11)

Biểu thức (1.11) là phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB.
Đối với động cơ có cơng suất lớn thường có điện trở R1 rất nhỏ nên ta
có thể bỏ qua R1, khi đó, a = 0 và biểu thức (1.11) có dạng như sau:
M=

2M th
S Sth
+
Sth S

R2'
Trong đó: Sth = ±
X nm

(1.12)


- 10 -

3U 12
=±
2ω 0 X nm

M th

Đối với động cơ có cơng suất nhỏ, khi a=1 và biểu thức (1.11) có dạng:

2 M th (1 + S th )
S
S
+ th + 2 S th
S th
S

M =

Nếu chia hai vế của biểu thức (1.11) và (1.12) cho momen định mức
Mđm ta có phương trình đặc tính cơ ở hệ đơn vị tương đối:
- Với động cơ có cơng suất nhỏ:
2λ (1 + S th )
S
S
+ th + 2 S th
S th
S

M* =

(1.13)

- Với động cơ có cơng suất lớn:
M* =

2λ

(1.14)

S
S
+ th
Sth
S

Qua các biểu thức vừa chứng minh trên cho ta dựng được đặc tính cơ
của động cơ KĐB theo hệ số trượt. Nếu ω =ω0(1-S), ta có thể dựng được đặc
tính cơ theo tốc độ góc ω của roto động cơ.
S
0

Sth

ω
ω0
ωđm

0
1

A
B

Mđm
Mkđ

Mth

M

Hình 1.2. Đặc tính cơ của ĐCKĐB roto dây quấn theo hàm ω=f(M), M=ϕ(S)


- 11 -

Trên hình 1.2, là hình dạng đặc tính cơ của ĐCKĐB roto dây quấn theo
hàm ω=f(M), M=ϕ(S), trong đó điểm định mức tại A, điểm tới hạn tại B.
Phần đặc tính cơ từ S=0 đến S=Sth được gọi là phần công tác, động cơ
làm việc ổn định trên đoạn đặc tính này. Phần đặc tính Sth đến 1 gọi là phần
khơng làm việc.
Những phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ như trên,
chỉ đúng khi các thơng số của mạch roto khơng đổi, vì vậy nó chỉ đúng với
động cơ KĐB roto dây quấn. Với động cơ roto lồng sóc thì tham số của mạch
roto thay đổi, do đó các phương trình trên chỉ dùng ở độ chính xác khơng cao.
Sau đây ta xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ gồm: R1, X1,
R2, X2, U1, f1 và ω0.
* Ảnh hưởng của điện trở trong mạch roto
Đối với động cơ không đồng bộ roto dây quấn người ta thường đấu
thêm điện trở phụ vào mạch roto để hạn chế dòng khởi động và điều chỉnh tốc
độ quay của nó như: Sơ đồ nguyên lý như hình 1.3a.
Qua sơ đồ cho trên hình 1.3a, khi đưa thêm điện trở phụ vào mạch roto
ta sẽ vẽ được thêm đường đặc tính nhân tạo cịn gọi là đặc tính biến trở.
Hệ số trượt tới hạn của đặc tính biến trở:
S tnnt =

R2' + R 'f
2
R1' + X nm

(1.15)

Từ công thức (1.15), cho ta thấy hệ số trượt tới hạn Sth phụ thuộc vào điện trở
phụ trong mạch roto, điện trở phụ Rf càng lớn thì hệ số trượt Sth càng lớn.
Còn momen tới hạn Mth được xác định bởi biểu thức (1.4).Từ biểu thức
đó cho thấy momen tới hạn không phụ thuộc vào điện trở mạch roto, nó ln
là hằng số khi tiến hành thay đổi điện trở Rf.
Ta xét hai đường đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính biến trở bất kỳ nào đó, tacó:


- 12 -

Phương trình đặc tình cơ tự nhiên:
M=

2Mth
Sthtn Stn
+
Sth Sthtn

(1.16)

Phương trình đặc tình cơ nhân tạo:
M =

2 M th
Sthnt
S
+ nt
S nt

Sthnt

(1.17)

Nếu xét tại một giá trị M bất kỳ nào đó, ta có:
Sthnt S nt
S
S
+
= thtn + tn
S nt Sthnt
Stn Sthtn

Phương trình trên chỉ đúng khi:
Sthnt Sthtn
=
S nt
Stn

hay

S nt Sthnt
=
Stn Sthtn

Mặt khác ta có:

hoặc

Snt = Stn .

Sthnt
Sthtn

'
'
Sthnt R2 + R f R2 + R f
=
=
Sthtn
R2'
R2

Từ đó suy ra trên cùng một giá trị momen có:
Snt = Stn .

R2 + R f
R2

Điều đó chứng tỏ rằng càng tăng trở mạch roto phần cơng tác đặc tính
cơ càng dốc (hay cịn gọi là đặc tính cơ càng mềm) hình 1.3c.
Về dịng điện, từ sơ đồ thay thế 1pha của động cơ khơng đồng bộ như
hình 1.1, ta tính được dịng điện stato như sau:






1

1
I1 = U1 
+

2
2
2

 R0 + X 0
R2' 
2 
 R1 +  + ( X nm ) 

S 




Trong đó: Xnm= x1 + x2’ : Điện kháng ngắn mạch

(1.18)


- 13 -

- Còn dòng roto quy đổi về stato như sau:
I 2' =

U1
'

2

(1.19)

2


R 
2
 R1 +  + ( X nm )
S 


- Về dòng điện roto được xác định theo biểu thức (1.19), cịn biểu thức tính
dịng khởi động được xác định bằng cách cho S=1 (thế vào biểu thức 1.19)
I 2' kd = I 2 nm =

U1

(R + R
1

'
f

(1.20)

2
+ R2' ) + X nm
2

Từ biểu thức trên (1.20) cho ta thấy rằng khi càng tăng R’f vào mạch roto thì
dịng khởi động càng giảm (như hình 1.3c).

b,

a,

c,

Hình 1.3.
a, Sơ đồ nguyên lý.
b, Đặc tính quan hệ giữa tốc độ và dịng điện.
c, Họ đặc tính cơ của động cơ.


- 14 -

* Nhược điểm:

Đối với động cơ KĐB roto dây quấn công suất lớn điều khiển bằng
điện trở mạch roto có những hạn chế như:
- Gây tổn thất năng lượng lớn.
-

Việc điều khiển tốc độ động cơ không êm dịu vì số cấp hạn chế.

-

Phạm vi điều khiển hẹp.

-

Đối với những thiết bị có tính chất di động thì khơng gian hạn chế,

chiếm nhiều diện tích trong việc bố trí dàn điện trở, tiếp điểm rất cồng kềnh
khơng phù hợp.
Vì vậy khi điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ bằng phương
pháp thay đổi điện trở phụ theo cấp trong mạch roto nói trên, gây tổn hao trên
điện trở roto nên hệ truyền động đạt hiệu suất làm việc thấp, đặc biệt khi tốc
độ động cơ nhỏ. Vì thế phương pháp này chủ yếu áp dụng cho các truyền
động ngắn hạn, gián đoạn như cần trục, tời khoan…
* Chính vì những lý do trên ta nghiên cứu 1 hệ truyền động điện mới thay
thế cho hệ thống này.
1.3. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay
đổi điện áp mạch stato
1.3.1. Nguyên lý hoạt động
Khi thay đổi điện áp stato của động cơ, đặc tính cơ của động cơ bị thay
đổi và qua đó điều khiển được tốc độ của động cơ.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ có momen tỷ lệ với bình phương
điện áp pha stato:
M =

3

.

U2

ω0 

2

R2'
.
S
2

R2' 
 R1 +
 + (X 1 + X 2' )
S 


(1.21)