Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Sinh viên: Trương Thị Thu Trang

Lớp: ĐTĐ51ĐH1

Tên đề tài: “Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ
sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Rotor lồng sóc”
Lời mở đầu
Chương 1: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ xoay chiều 3 pha
1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
1.1.1 Khái niệm
1.1.2 Đặc tính cơ và thơng số ảnh hưởng tới đăc tính cơ
1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ
1.3 Xây dựng mơ hình động cơ
Chương 2: Tổng hợp các bộ điều chỉnh
2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator
2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vịng tốc độ
Chương 3: Mơ hình mơ phỏng đáp ứng trên Simulink
3.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động diều chỉnh tốc độ
3.2 Kết quả mô phỏng
3.3 Kết luận
3.4.Tài liệu tham khảo
Hải Phòng, ngày....tháng 1 năm 2013
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên

Phạm Tâm Thành

Trương Thị Thu Trang

Mục lục
1


Lời mở đầu........................................................................................................3
Chương 1: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ xoay chiều 3 pha...................4
1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.........................4
1.1.1 Khái niệm........................................................................................4
1.1.2 Đặc tính cơ và thơng số ảnh hưởng tới đăc tính cơ........................8
1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ .............................................................17
1.3 Xây dựng mơ hình động cơ....................................................................18
Chương 2: Tổng hợp các bộ điều chỉnh........................................................23
2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator...............................23
2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng tốc độ..............................24
Chương 3: Mơ hình mơ phỏng đáp ứng trên Simulink...............................29
3.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động diều chỉnh tốc độ...........................29
3.2 Kết quả mơ phỏng..................................................................................31
3.3 Kết luận..................................................................................................37
3.4.Tài liệu tham khảo.................................................................................38
Hải Phịng, ngày....tháng 3 năm 2013
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên

Phạm Tâm Thành

Trương Thị Thu Trang

Lời mở đầu

2


Nước ta đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiện
đại hoá. Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ
các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất
lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.Tự
động hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm
nâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc
mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp
cũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết
về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các
nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp. Sự
bùng nổ tiến bộ kĩ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử -tin học những năm gần đây
đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền
động điện tự động. Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hồn thiện các
bộ biến đổi điện tử cơng suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ
dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi điện tử, vi xử lí...Phần lớn các
mạch điều khiển này dùng kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễ
dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc điều khiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh
và độ chính xác cao cho hệ truyền động. Điều này dẫn đến việc chuẩn hóa chế
tạo các hệ truyền động hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng
ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất.
Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện mợt đề tài nhỏ là : “Xây dựng
mô hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ
không đồng bộ rotor lồng sóc.” dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Tâm
Thành và các thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp-Trường Đại
học Hàng Hải
Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn không

khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn
thiện hơn !

3


Chương 1: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ xoay chiều 3 pha
1 .1.Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
1.1.1. Khái niệm
Động cơ điện dị bộ (không đồng bộ) là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc
độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy
●) Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính : Phần tĩnh và phần động

Hình 1-1 .Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn
- Phần tĩnh: Gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy
+ Lõi thép stato : Do nhiều lá thép kĩ thuật điện đã dập sẵn , ghép cách
điện với nhau chiều dày các lá thép thường từ 0.35 mm đến 0.5mm phía trong
có các rãnh đặt dây quấn. Mỗi lá thép kĩ thuật được sơn cách điện với nhau để
giảm tổn hao do dịng điện xốy gây lên. Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lại
thành một khối .Nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp , mỗi thếp dài từ
6 cm đến 8 cm, cách nhau 1 cm để thơng gió.

stato

A

B

C

Hình1.2: A mặt cắt ngang stato,B lá thép kĩ thuật điện ,C stato của động cơ KĐB
4


+ Dây quấn : Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mơ
bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato .
+ Vỏ máy: Để bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato ,vỏ có dạng trụ
rỗng,làm bằng nhơm (máy cơng suất nhỏ) hoặc bằng gang , thép đối với (máy
công suất lớn). Vỏ máy có chân đế cố định máy trên bệ , hai đầu có nắp máy để
đỡ trục rơto và bảo vệ dây quấn
- Phần quay: Gồm lõi thép , trục, và dây quấn
+Lõi thép rôto: cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình
trịn và mặt ngồi của các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa
được dập lỗ tròn để lồng trục máy
+Trục máy: Được làm bắng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép
rôto. Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt
+Dây quấn :Tuỳ theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra rơto dây
quấn hay rơto lồng sóc:
~ Rơto kiểu dây quấn : Rơto dây quấn có kiểu giống như dây quấn
stato và có số cực bằng số cực ở stato. Trong động cơ trung bình và lớn dây
quấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dây
quấn chặt chẽ. Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp .
Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba
vịng trượt bằng đồng thau gắn trên trục của rơto. Ba vịng trượt này cách điện
với nhau và với trục, tỳ trên ba vịng trượt là ba chổi than. Thơng qua chổi than
có thể đưa điện trở phụ vào mạch rơto, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy,
điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi .
~ Rôto lồng sóc : Kết cấu rất khác với dây quấn stato các dây quấn là

các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rôto. Hai đầu các
thanh dẫn nối với các vịng đồng hay nhơm gọi là vịng ngắn mạch. Như vậy dây
quấn rơto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc.

5


Hình1-3. Dây quấn rơto kiểu lồng sóc
Ngồi ra dây quấn lống sóc khơng cần cách điện với lõi thép rãnh
rơto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép
dùng cho máy có cơng suất lớn để cải thiện tính năng mở máy . Với động cơ
công suất nhỏ rãnh rôto thường đi chéo mơt góc so tâm trục.
+ Khe hở
Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở khơng khí , khe hở rất ít
thường là ( 0,2 0 mm đến 1.mm), do rơto là khối trịn nên rơto rất đều . Mạch từ
động cơ khơng đồng bộ khép kín từ stato sang rơto qua khe hở khơng khí. Khe
hở khơng khí càng lớn thì dịng từ hố gây ra từ thơng cho máy càng lớn hệ số
cơng suất càng lớn .
•Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ
- Công suất định mức Pđm là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra
- Điện áp định mức Uđm
- Dòng điện định mức Iđm
- Hệ số công suất định mức : cosϕđm
- Tốc độ quay định mức nđm (vòng/ phút )
- Tần số định mức fđm (hz)
Vd: Trên nhãn máy có ghi

∆/Y 220v/380v_ 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau khi

điện áp lưới điện là 220v thì ta nối dây quấn stato theo hình ∆. Và dịng điện

định mức là 7.5 A . Khi điện áp lưới điện là 380v thì ta đấu dây quấn stato theo
hình Y ,dịng điện định mức là 4.3 A .
• Ngun lí hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto
lồng sóc
6


Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi
đặt điện áp ba pha vào 3 pha dây quấn , 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator,
khi đó trong khe hở khơng khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1
của từ trường này quay với tốc độ góc là :
ϖ1 =

2Πf
p

(1.1)

Trong đó : f là tần số dịng điện cáp cho stator
p là số đôi cực của dây quấn stator.
Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong các
thanh dẫn roto (đối với loại roto lồng sóc) hoặc các cuộn dây Roto (đối với loại
roto dây quấn). Các dòng điện Roto này đặt trong từ trường stator quay nên sinh
ra lực điện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra momen quay Rotor , Rotor
quay cùng hướng với từ trường Stator quay.
Lúc đầu khi từ trường stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắng
bắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor càng giảm
nên sức điện động cảm ứng phái Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũng
giảm theo.
Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thì lúc đó sẽ khơng có lực điện

từ được sinh ra và Rotor quay chậm lại. Do đó tốc độ Rotor khơng thể bằng tốc
độ đồng bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực
của động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt.
• Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ khơng đồng bộ xoay chiều
ba pha rotor lồng sóc
Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến cơng suất
trung bình . Chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm :
−

Động cơ khơng đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế

tạo, vận hành an toàn, tin cậy, giá thành rẻ, hiệu suất cao và gần như không bảo
trì
−

Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém các

thiết bị biến đổi.
7


Nhược điểm : tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tần số và biên
độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu các
tốc độ có thể thay đổi được. Chúng có thể chạy ở tốc độ gần như bằng hằng số
đối với tải và từ không tải tới đầy tải. Điều này không giống như các động cơ
một chiều, các độngc cơ đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch các
thành phần dòng điện sinh momen và từ thơng. Để nâng cao hiệu suất sử dụng
thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp cho
động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên bộ điều khiển
phức tạp hơn so với loại một chiều.

1.1.2 Đặc tính cơ và các thơng số ảnh hưởng tới đặc tính cơ
A. Đặc tính cơ động cơ khơng đồng bộ
Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử
dụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ . Tuy nhiên có các điều kiện sau thoả
mãn để xây dựng phương trình đặc tính cơ.
- 3 pha của động cơ là đối xứng .
- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ,
điện trở khơng phụ thuộc vào tần số dịng điện rơto , mạch từ khơng bão hồ
điện kháng X1 , X2 không đổi.
- Bỏ qua các tổn thất trong lõi thép các tổn thất của ma sát.
- Điện áp hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.
Với những giả tưởng trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ.

Hình 1-4. Sơ đồ thay thế một pha động cơ khơng đồng bộ
Trong đó U1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato
+ R th , R1 , R2’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điện trở
rôto đã quy đổi về phía stato .
8


+ X th, X1 , X2’, là điện kháng mạch từ hố điện kháng tản stato và
điện kháng rơto đã quy đổi về phía stato.
+I th ,I1 , I2’ là các dịng điện từ hố,dịng điện stato, dịng điện rơto đã
quy đổi về stato
Với hệ số quy đổi như sau:
X’2 = Ku2.X2

I ’2 = K i I 2

;

R2’ = Ku2 R2

;

Trong đó :

Kdq1,Kdq2: hệ số dây quấn stao và rơto
U1 : điện áp định mức đặt vào dây quấn stato
Ew : sức điện động định mức của rôto
KI =

I1'
I1

Độ trượt động cơ

ω −ω
:s=
ω
1

1

U
2

1




 + R2  +
 R1 S 


'

Ta tính được dịng điện qua rơ to : I2’=

(X

1

+

X

)

' 2
2

S = 0 ⇒ I2’ = 0 ( ω = ω1)
S=1

⇒ I2’ =

U
(R + R )
1

2

1
2

+

X

2

= dòng điện max (I2’ max ) , ω = 0 .

nm

Với : Xnm = X1+X2’ : điện kháng ngắn mạch
Dịng khởi động phía rơto của động cơ :

Hình 1-5. Đặc tính dịng điện rơto
9


Thơng thường ta có I2’ max = (4 ÷ 7)Iđm . Vì thế khi khởi động động cơ cần
chú ý giảm dịng mở máy phía rơto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phía rơto .
Ta có dịng điện phía stato là :

S=0

→

I1 = Ith (dịng phía stato bằng dịng từ hoá )

S=1

Khi

→

I1 = 



1

 Rth + X th


+

1

( R1 + R2 ) 2 + X nm


U 1



Hình 1-6 . Đặc tính dịng điện stato của động cơ khơng đồng bộ .

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vào
điều kiện cân bằng cơng suất trong động cơ.
Ta có cơng suất điện từ chuyển từ stato sang rôto là :
Pđt = M.ω1 (1.2)

với M : Là mômen điện từ của động cơ

Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ
Công suất Pđt chia làm hai phần:
Pcơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ : Pcơ = Mcơ .ω
∆Pω2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto :
Với :

I2’ =

U
(R + R )
1

Ta có:

2

Pđt = Pcơ + ∆Pω2

(1.3)

∆Pω2 = 3.I2’2 .R2’ (1.4)

1

2

+

X

2
nm

(1.5)
10


Thay (1.2) ,(1.3) ,(1.4) vào phương trình (1.5) ta có
2

M.ω1 = M.ω + 3. 


'

. R2

1
' 2

R


U


+R 

+

2

1

S 


X

2
nm

2

 R1


ω −ω
ω
1

s=

'

. R2

1
' 2

M (ω1 - ω ) = 3. 


Với

U

+R 
2

S 


+

X

(1.6)

2
nm

thay vào phương trình (1.6)

1

'
3U 12 R2

Ta có M = sω  R + R2'  + X 2 


1  1
nm 

2

s 







Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Để vẽ đường dặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn thơng
qua việc giải phương trình :

dM
dS

=0

Ta tìm được trị số của M và S ở điểm cực trị : kí hiệu là M tới hạn (Mth) và giá trị

Stới hạn ( Sth) . Cụ thể là :
Sth = ±

R

'
2

2

2

1

;

Mth = ±

nm

R +X

(

3U 1

2
2ω1 R1 ± R12 + X nm

)

Dấu “ + “ ứng với trạng thái động cơ . Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát .
Khi ngiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người ta quan
tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ.
Với những động cơ công suất lớn lớn thường R 1 rất nhỏ so với Xnm nên lúc
này co thể bỏ qua R1 nghĩa là R1 = 0 . Do đó :
Sth = ±

R
X

'
2

nm

;

Mth = ±

3 U
2ω X

2

1

1

nm

11


Lập tỉ số :

M
M

th


1 S
= 
+ S th 
2  S th
S 



Khi xét S << Sth ( S → 0) .Tỷ số

đặc tính cơ có dạng đơn giản : M =

2M
S
+S
S S

th

=>

M =

th

th

S
S

nhỏ , gần đúng coi
th

S
S

= 0. .Lúc này
th

2 M .S
S
th

th

Khi S >> Sth

(Sđ1).

Ta có :

2 M .S
S

M =

th

th

. Nếu S = 1 ⇒ M = Mnm = 2.Mth.Sth

Hình 1-7. Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ
Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồng bộ
thường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đ D .
B. Các thơng số ảnh hưởng đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ khơng đồng bộ :
'
3U 12 R2

M = sω  R + R2'  + X 2 


1  1
nm 

2









Ta thấy các thông số anh hưởng đến đặc tính cơ bao gồm :
- Điện áp nguồn U1
- Tần số lưới điện cấp cho động cơ
- Điện trở mạch rôto
- Ảnh hưởng P
- Ảnh hưởng của R1 ,X1
12


1) Ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp cho động cơ
Điện áp nguồn U1 : Thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều
Các tham số còn lại là hằng số , khi U 1 giảm → ( Mth ) Mơmen tới hạn sẽ
giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp . Mth giảm ∼ U12 giảm
ω1 =

Trong khi đó tốc độ đồng bộ:

2π .f
P

1

= const .

Và độ trượt khơng thay đổi. Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp
này.

Hình 1-8.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp cấp cho
động cơ
Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh.Tuy nhiên Sth
khơng đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải
khơng đổi : quạt gió , máy bơm ly tâm. Khơng thích hợp với phụ tải thay đổi.
2) Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto ( R2 + R2f ).
Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điều
chỉnh xung điện trở . người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R 2f vào mạch rơto.

Ta có :

ω1 =

2π .f
P

1

= const

Mth = const
'

Sth =

'

2

2f

R +R
X

→ dòng điện mở máy giảm

nm

13


a)

b)

Hình 1-9 a. Sơ đồ đấu dây

;

b. Đặc tính cơ

Vậy R1 càng tăng,dòng điện khởi động càng giảm,M kđ tăng lên .Sau đó
mơmen khởi động sẽ giảm . Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm
của phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp .
3) Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ :

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và
lồng sóc.
Xuất phát từ biểu thức : ω1 =

2π .f
P

1

ta thay đổi tần số f 1 làm cho tốc độ

từ trường quay thay đổi → tốc độ động cơ thay đổi theo.
'

1
R
≈
f ↑
2π f
(L + L )
P
2

Khi f1> f1đm ta có :

↓ Sth =

1

'

1

1

2

X1 = ω1L1 ; X2’ = ω1L2’
Mômen tới hạn sẽ giảm theo quy luật :

↓ Mth =

U
2
8 π2f1
P

2

2

≈

1

(L + L )
'

1

1

f

2
1

↑

2

Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc của
động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép .
ωmax bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ .
Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:
14


Khi f1 giảm → ωt giảm → Sth tăng → Mth tăng→ Xnm giảm
Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp :

Hình 1-10 .Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ
Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng
trở của mạch giảm ( vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số ) với giá trị điện
áp giữ khơng đổi thì dịng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần số
cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mơmen theo chế độ định
mức
Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng :
- Khi f1< f1đm với điều kiện

U
f

1

= const thì Mth giữ ở khơng đổi

1

- Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ ngịch với bình phương tần số
Khi tăng giảm tần số f 1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động
cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng .
4) Ảnh hưởng của số đôi cực P .
Để thay đổi số đôi cực ở stato ngưới ta thường thay đổi cách đấu dây :
Từ công thức : ω1 =

2π .f
P

1

và

ω = ω1 ( 1- s )

Ta thấy thay đổi số cặp cực P thì ω1 thay đổi dẫn đến tốc độ động cơ thay
đổi . Giá trị Sth không phụ thuộc vào P nên không thay đổi khi đó độ cứng đặc
tính cơ giữ ngun .Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây
ở stato nên một số thông số như U 1 (điện áp vào stato) R1 , X1 có thể thay đổi do
15

đó từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mơmen tới hạn Mth của động cơ

.
a)

b)

Hình1.11 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ
a) Thay đổi số đôi cực với P2 = P1/2 và Mth = const
b) Thay đổi số đôi cực với P2 = P1/2 và P1 = const
5) Ảnh hưởng của điện trở , điện kháng mạch stato .
Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R 1f ) hoặc điện kháng (X1f) nối
tiếp vào phía stato của động cơ .Tốc độ từ trường không đổi: ω1= const , Sth
giảm. Do đó đặc tính cơ có dạng :

a.

b.

c

Hình1.12 Động cơ không đồng bộ với Rf và Xf trong mạch stato .
a) Sơ đồ với R1f ; b) Sơ đồ với X1f ; c) Đặc tính cơ .
Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mơmen khởi động là M mm thì đặc
tính cơ ứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f .
Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X 1f , hoặc R1f
trong mạch stato khi khởi động .
16

1.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ
Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải .
Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thơng, dịng điện…của động cơ
thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà khơng làm động cơ bị q
dịng cần phải điều chỉnh cả điện áp . Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường
có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều
chỉnh tốc độ . Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mơmen tới hạn
Mth, khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ số q tải mơmen λM
Với λM =

M
M

th

Hình 1-13.

Xác định khả năng quá tải về mômen

Nếu bỏ qua điện trở của dây cuốn stato Rs = 0 thì từ

U L R 1
ω ω F ( s)
2

M=

2

s
2

m

r

2

0

s

2

Mth =

m
2

0

⇒

2

s
2

S

U L
ω 2L L

= K(
r

U
ω

s

)2 .

(1.7)

0

Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là :
λM =

M
M

th

=

M

M

thdm

(1.8)

dm

Thay (1.7) vào (1.8 ) và rút gọn ta được :

U
ω

s
0

=

U
ω

sdm
0 dm

M
M

thdm

Đặc tính cơ gần đúng của các máy sản xuất ( phụ tải ) có thể viết như sau :

Mc = Mđm

 ω0 



ω 0dm 



x

(1.9)
17


Từ (1.8) và (1.9) rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải
về mômen là không đổi :

U
U

s

sdm



=  ω0 



 ω 0 dm 

1+ x

2


=



1+ x

f
f


s 

sdm 

2

với x = 0 ; ± 1 ; 2

Như vậy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay
đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh điện áp đồng
thời theo quy luật sau:

U1
= const
f1

U1
; f 2 = const
1

U 12
= const
;
f1

Hình 1-14 Luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về mơmen
1.3 Xây dựng mơ hình động cơ
1.3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về khơng gian, vì cá mạch từ móc
vịng ta giả thiết các điều kiện sau đây trong khi mơ hình hóa động cơ:
- Các cuộn dây Stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.
- Các tổn hao sắt từ và bão hịa từ có thể bỏ qua.
- Dịng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là khơng.
Ta có phương trình điện áp stator :
f

f
dψ s
u =R i +
+ jω s ψ s
dt

f
s

f
s s

Phương trình điện áp roto:
f

f
dψ r
0=R i +
+ jωrψ r
dt
f
r r

18


Từ đó ta có phương trình của từ thơng stator và từ thông rotor :
ψ s = i s Ls + i r Lm


ψ r = i s Lm + i r Lr


Phương trình momen:
mM =

(

)

(

3
3
pc ψ s × i s = − pc ψ r × i r
2
2

)

Phương trình chuyển động:
m M = mT +

Jdω
p c dt

Trong đó:
- mT: momen tải.
- J: momen quán tính cơ.
- ω : tốc độ góc rotor.
- pc: số đơi cực của động cơ
1.3.2Phép chuyển đổi giữa các hệ tọa độ
• u,v,w  αβ:
isα = iu
isβ =

1
(iu + iv )
3

19


• αβ  d,q
isd = isαcosθ + isβsinθ
isq = isβcosθ - isαsinθ

• αβ  u,v,w
iu = isα
1
iv = (−isα + 3.isβ )
2
1
iw = (−isα − 3.is β )
2

• d,q  αβ
isα = isdcosθ - isqsinθ
isβ = isdsinθ + isqcosθ

1.3.3. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông roto ( hệ tọa
độ dq)
Khi chiếu trên hệ tọa độ này thì được các phương trình từ thơng vẫn khơng
đổi, chỉ có cá phương trình điện áp thay đổi như sau:
- Tọa độ từ thông rotor quay tốc độ ωs so với stato.
- Hệ tọa độ chuyển động vượt trước so với rotor một góc ωr = ωs -ω.

Từ đó ta thu được hệ phương trình:
20


___
 __
f
__
____
u f = R i f + d ψ r + jω ψ f
s s
s
r
 s
dt

____
f
__
____

0 = R i f + d ψ r + jω ψ f
r r
r
r

dt
 ____ __
__
 f

ψ r = isf Ls + irf Lm

__
 ____ __
f
f
ψ r = is Lm + irf Lr


(1.10)

Tìm cách loại bỏ ifr và ψfs : từ (1.10) có:
__

irf =
____
f
s

1 ____ __
(ψ rf − isf Lm )
Lr

(1.11)

__
f
s

Lm ____ __

ψ = i Ls +
(ψ rf − isf Lm )
Lr

Thế trở lại phương trình thứ 3 và 4 của (1.10) ta được phương trình:
disd
1 1−σ
1−σ
1−σ
1
= −(
+
)isd + ω s isq +
ψ rd +
ωψ rq +
u sd
dt
σTs σTr
σLmTr
σLm
σLs
disq
dt

= −ω s isd − (

1 1−σ
1−σ
1−σ
1

+
)isq −
ωψ rd +
ψ rq +
u sq
σTs σTr
σLm
σLmTr
σLs

dψ rd Lm
1
=
isd − ψ rd + ω rψ rq
dt
Tr
Tr
dψ rq
dt

=

(1.12)

Lm
1
isq − ω rψ rd − ψ rq
Tr
Tr

Biến đổi tiếp hệ (1.10) với điều kiện chọn trục d trùng với vecto ψr , tức là
ψrq= 0:
(

1
1−σ
1−σ
1
+ p )isd = ω s isq +
ψ rd +
ψ rq +
u sd
Tσ
σLmTr
σLm
σL s

(

1
1−σ
1
+ p )isq = −ω s isd −
ωψ rd +
u sq
Tσ
σLm
σLs

(1 + Tr p)ψ rd = Lm isd

(1.13)

Lm
isq
Tr
ωr =
ψ rd
1

1

1−σ

Thay Tσ theo công thức: T = σT + σT
σ
s
r

21


Tương tự như trên tọa độ αβ ta cũng có phương trình momen cho tọa độ dq:
L
3
mM = . pc . m (ψ rf ∧ isf )
2
Lr

Thay đại lượng véc tơ bằng các phần tử của nó : i sf = isd+jisq vµ ψsf = ψsd+jψrq

ta cã:
L
3
mM = . pc . m ψ rd isq
2
Lr

Trong đó:

- Ls = Lm + Lσ s : Điện cảm stator.
- Lr = Lm + Lσr : điện cảm rotor.
- Ts=Ls/Rs: hằng số thời gian stator.
- Tr=Lr/Rr=hằng số thời gian rotor.
- σ = 1 − L2 / ( Lr .Ls ) hệ số tiêu tán tổng
m

Trên cơ sở hệ phương trình trên ta xây dựng sơ đồ mơ phỏng trong Simulink :

Hình 1-15 Mơ hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục(d-q)

22


CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH
Chuyển hệ phương trình về miền Laplace và thay ψ =0 và
rq
 1 + Tσ s 
1−σ '
1
ψ rd +

U sd ( s )

÷I sd ( s ) = ws I sq ( s ) +
σ
σ Ls
 Tσ 


'
 1 + Tσ s ÷I sq ( s) = ws I sq ( s ) + 1 − σ ψ rd + 1 U sq ( s )
 Tσ 
σ
σ Ls

 1 + Tσ s  '
1
 T ÷ψ rd ( s ) = T I sd ( s )
r
 σ 
1
'
 I sq ( s) = ( ws − wr )ψ rd ( s )
 Tr

Với

Tσ =

dψ rq
dt

=0, ta được:

(2.1)

1
1 1−σ
+
σ Tr σ Tr

2.1.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh Risq
'
I sd ( s ) = (1 + sTr )ψ rd ( s)

ws = w r +

Isq (s)

(2.2)

Trψ (s)
'
rd

Thay(2.2) vào phương trình 1 và 2 của (2.1) ta thu được thành phần dòng i sq
như sau:
 1 + Tσ s 1 + Tr s 
1
 1-σ


'
+
+ 1 + Tr s ÷+
U sq ( s )

÷I sq ( s) = w rψ rd (s) 
Tr 
 σ
 σ Ls
 Tσ

Loại bỏ tín hiệu phản hồi tốc độ như vậy ta có hàm truyền giữa dịng I sq và
điện áp Usq như sau:
I sq
U sq

=

TrTσ
1
K1
.
=
Tr + Tσ + 2TrTσ s σ L s 1 + T1s

23


Với:
K1 =

T1 =

TrTσ
σ Ls (Tr + Tσ )

2TrTσ
Tr + Tσ

Như vậy hàm truyền giữa dòng Isq và điện áp Usq có dạng:
Gisq =

K1
1 + T1s

Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện như sau:
BBD

Hình2-1: Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Isq
Bộ biến đổi ở đây là một bộ nghịch lưu và có thể coi hàm truyền là một

khâu quán tính như sau:

GBBD =

K NL
1 + TNL s

Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul để tổng hợp bộ điều khiển. Khi đó hàm
truyền kín của hệ thống có dạng:
FMC =

1
1 + 2τ s + 2τ 2 s 2

Khi đó hàm truyền bộ điều khiển được tính theo công thức:
Risq =

1
=
GBBDGisq (1 + τ s)2τ s

1
K NL
K
. 1 (1 + τ s)2τ s
1 + TNL s 1 + T1s

Chọnτ = TNL Ta thu được bộ điều khiển dòng Isq như sau:
Risq =

1 + T1s
T1 
1 
=
1 +
÷
2TNL K1s 2TNL K1  T1s 

2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ:
Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ di bộ như sau:

24


Hình2.2. Cấu trúc điều khiển mạch vịng tốc độ
Hàm truyền kín của mạch vịng dịng điện Isq có dạng:
1
2
1 + 2TNL s + 2TNL s 2

Fisq =

Để đơn giản ta bỏ qua thành phần bậc cao, khi đó hàm truyền có dạng:
Fisq =

1
1 + 2TNL s

Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền đối tượng của mạch vịng điều khiển tốc
độ như sau:
Sw =

3L2
1
1
. m pc .
1 + 2TNL s 2 Lr
Js

Để mạch điều khiển tốc dộ có vơ sai cấp 2, ta sử dụng tiêu chuẩn tối ưu
modul đối xứng, ta có hàm truyền kín như sau:

FDX =

1 + 4τ s
1 + 4τ s + 8τ 2 s 2 + 8τ 3 s 3

Khi đó hàm truyền bộ điều khiển được tính như sau:
Rw =

1 + 4τ s
=
S w (1 + τ s )8τ 2 s 2

1 + 4τ s
3L
1
1
.
pc . .(1 + τ s)8τ 2 s 2
1 + 2TNL s 2 Lr
Js
2
m

Chọn τ = 2TNL và rút gọn ta được hàm truyền bộ điều khiển tốc độ như sau:
Rw =


1 + 8TNL s
1
1 

=
1 +
÷
2
3L
Lm
1
1
2
 8TNL s 
pc . .32TNL s 6
pc . .TNL
2 Lr
J
Lr
J
2
m


1 
Rw = K w 1 +
÷
 Tw s 

Với Tw = 8TNL

25