Đề tài : Các phương pháp điều khiển động cơ điện bằng ứng dụng điều khiển công suất

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ
o0o




BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG ỨNG DỤNG
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ
CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”
(Ứng dụng điện tử công suất lớn)
Mã số: KC.06.23.CN
Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng

Thực hiện chuyên đề: KS. PHẠM THU PHƯƠNG

6981-3
08/9/2008



Hà nội, tháng 05/2008
1
Mục lục

Lời Mở đầu 3

I. Động cơ công suất lớn và các phơng pháp điều khiển: 4
1.1. Động cơ 1 chiều 4
1.1.1. Mô hình toán học 4
1.1.1.1. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ xác lập 4
1.1.1.2. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ quá độ: 5
1.1.2. Các phơng pháp điều khiển động cơ 1 chiều 7
1.1.2.1 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ: 8
1.1.2.2. Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI: 9
1.1.2.3. Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện: 9
1.1.2.4. Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2 thông số: 10
1.1.3. ứng dụng trong truyền động kéo 12
1.2. Động cơ đồng bộ 13
1.2.1. Mô hình toán học động cơ đồng bộ 13
1.2.2. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập 15
1.2.3. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 17

1.2.4. Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển
mạch tự nhiên 17

1.2.4.1. Quá trình chuyển mạch 18
1.2.4.2. Mômen của động cơ 20
1.2.4.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động 21
a) Khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức 21
b) Khởi động dùng phơng pháp dòng gián đoạn. 21
c) Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ. 21
1.2.5. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần
nguồn dòng 22

1.3. Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23
1.3.1. Mô tả toán học động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23
1.3.2. Vec tơ không gian và các hệ toạ độ biểu diễn ĐCKĐB rô to ruột quấn 26
1.3.3. Mô hình trạng thái ĐCKĐB rô to ruột quấn trên các hệ toạ độ 27
1.3.4. Điều khiển động cơ KĐB rô to dây quấn 30
1.3.4.1. Phơng pháp điều chỉnh điện áp stator động cơ bằng bộ điều áp xoay
chiều 30

1.3.4.2. Điều chỉnh điện trở mạch rotor 32
1.3.4.3. Điều chỉnh công suất trợt 34
1.3.4.4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ 37
2
1.4. Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc 37
1.4.1. Vector không gian và hệ toạ độ từ thông 37
1.4.2. Mô hình toán học động cơ KĐB rotor lồng sóc 39
1.4.3. Các phơng pháp điều khiển động cơ KĐB rô to lồng sóc 42
II. Phơng pháp điều khiển động cơ KĐB rôto lồng sóc bằng các
thiết bị điện tử công suất lớn 42

2.1. Nhắc lại mô hình toán học 42
2.1.1. Xây dựng vector không gian 45
2.1.2. Chuyển vị tuyến tính các hệ toạ độ 46
2.1.3. Mô hình động cơ trong hệ toạ độ cố định gắn với stator (

) 48
2.1.4.Mô hình động cơ trong hệ toạ độ gắn với từ thông rotor 51
2.1.5. Mô hình động cơ trong hệ toạ độ gắn với trục rôtor xy 54
2.2. Các phơng pháp điều khiển 56
2.2.1. Phơng pháp điều khiển vô hớng (điều chỉnh tần số - điện áp) 56
2.2.1.1. Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải không đổi 56
2.2.1.2. Luật điều chỉnh từ thông không đổi 58
2.2.1.3. Luật điều chỉnh tần số trợt không đổi 59
2. 2.2. Phơng pháp điều khiển vector (điều khiển tựa theo từ trờng) 59
2.2.3. Phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 64
2.2.3.1. Nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen 64
2.2.3.2. Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn 66
a. Sơ đồ nguyên lý : 66
b. Ước lợng từ thông stator và mômen sử dụng tốc độ và dòng điện : 67
c. Ước lợng từ thông stator và mômen sử dụng điện áp và dòng điện : 68
d. Xây dựng bảng chọn : 68
2.3. Mô phỏng bằng Matlab Simulink phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen động
cơ không đồng bộ 70
2.3.1. Mô hình mô phỏng: 70
2.3.1.1. Mô hình tổng thể: 70
2.3.1.2. Mô hình bảng chọn : 70
2.3.1.3. Mô hình khối tính dòng điện: 72
2.3.1.4. Mô hình khối tính điện áp: 73
2.3.1.5. Mô hình khối ớc lợng từ thông stator: 73

2.3.1.6. Mô hình khối ớc lợng mômen: 74
2.3.2. Kết quả mô phỏng: 74
2.3.3. Nhận xét, đánh giá 77

3
Lời Mở đầu
Trong công nghiệp nói chung và trên tàu thuỷ nói riêng, hầu nh mọi máy móc
thiết bị đều đợc dẫn động bởi động cơ điện. Với sự phát triển không ngừng của tự động
hoá, việc truyền động bằng động cơ điện là chủ yếu ở trong mọi lĩnh vực của các ngành
công nghiệp
Do yêu cầu của từng hệ thống truyền động điện, việc điều khiển động cơ, điều
khiển truyền động đợc thực hiện với nhiều phơng pháp khác nhau. Tuy nhiên, việc
điều khiển các động cơ công suất lớn luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu.
Trên tàu thuỷ với nguồn điện là các trạm phát điện có công suất hữu hạn phù hợp
với các không gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị
công suất lớn, động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển,
không gian, trọng lợng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển.
Ngày nay, việc ngày càng nghiên cứu cải tiến các phơng pháp điều khiển tối u
cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ ứng dụng các phần tử điện tử công suất lớn
là nhằm giải quyết các yêu cầu đó.
4
I. Động cơ công suất lớn và các phơng pháp điều khiển:
1.1. Động cơ 1 chiều
1.1.1. Mô hình toán học
Hiện nay, động cơ 1 chiều (Đ) vẫn đợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống
truyền động điện chất lợng cao, do có dải công suất rộng. Hình 1.1 là sơ đồ kết cấu
chung của Đ, phần ứng đợc biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở
phần stato có thể có dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập, dây quấn kích từ nối
tiếp, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù. Hệ thống phơng trình mô tả Đ thờng là phi
tuyến, trong đó các đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng là điện áp phần ứng

U, điện áp kích thích U
k
, tín hiệu ra thờng là tốc độ góc của động cơ w, mô men quay
M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong 1 số trờng hợp là vị trí của rô to . Mô men tải M
c

là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mô men tải là nhiễu loạn quan
trọng nhất của hệ truyền động điện tự động.

1.1.1.1. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ xác lập

Khi đặt lên dây quấn kích từ 1 điện áp u
k
nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có
dòng điện i
k
và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Đặt 1 giá trị U lên mạch phần
ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tơng tác giữa dòng điện
phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị của mô men điện từ đợc
tính theo công thức:

IkI
a
Np
M ==

2
'
(1.1);

trong đó: p số đôi cực của động cơ
N số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
K = pN/2a hệ số kết cấu của máy
Mô men điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét
qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:


== k
a
Np
E
2
'
(1.2);

trong đó: - tốc độ góc của rô to
Trong chế độ xác lập, có thể tính đợc tốc độ góc qua phơng trình cân bằng điện
áp phần ứng:

5


=
k
IRU
u

(1.3);

trong đó: R

- điện trở mạch phần ứng của động cơ
1.1.1.2. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ quá độ:

Giữ nguyên các thông số của động cơ, mạch kích từ có 2 biến dòng điện kích từ i
k

và từ thông máy là phụ thuộc phi tuyến của bởi đờng cong từ hoá của lõi sắt:
U
k
(p) = R
k
I
k
(p) + N
k
.P.

(p) (1.4);
trong đó: N
k
số vòng dây cuộn kích từ
R
k
- điện trở cuộn dây kích từ
Mạch phần ứng :
U(p) = R

I(p) + L

I(p)

N
N
p I(p) + E(p) (1.5)
Hoặc dạng dòng điện:
)]()()([
1
/1
)( pEppNpU
pT
R
pI
N
u
u

+
=
(1.6);
trong đó: L

- điện cảm mạch phần ứng
N
N
số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
T

L

/R

hằng thời gian mạch phần ứng
Phơng trình chuyển động của hệ thống:
M(p) M
c
(p) =Jpw (1.7);
trong đó J là mô men quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.
Thông qua các phơng trình, thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều
6
X
X
K
K
N
P
Jp
1
K
u
u
p
R

+1
/1
K
N
N
N

K
pN
1
U
K
-
-
U
M
M
C
Hình 1.1- Sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều

Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập (N
N
= 0) thì có thể viết các phơng trình:
Mạch phần ứng:
)]()].[([)]([)]([)(
0000
ppKpIIpLpIIRpUU
Buu


+


+

+

+
+
+== (1.8)
Mạch kích từ:
)]([)]([)(
000
pIIpLpIIRpUU
kkkkkkkk

+
+
+=+ (1.9)
Phơng trình chuyển động cơ học:
)]([)]([)]()][([
0
BJpMMpIIpK
BpcBo



+
=

+
++
(1.10)
Trờng hợp khi từ thông kích từ không đổi
Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi hoặc khi động cơ đợc kích thích bằng
nam châm vĩnh cứu thì từ thông kích từ là hằng số.
u

CconstK ==

(1.11)
)()1)(()( pCpTpIRpU
uuu

+
+
= (1.12)
)()()( pJppMpIC
cu

=
(1.13)
8
Điều chỉnh hai thông số: từ thông và suất điện động cấp cho mạch kích từ động
cơ.
Dới đây ta sẽ lần lợt xét từng phơng pháp điều khiển.
1.1.2.1 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ:

Bỏ qua ảnh hởng của suất điện động của động cơ
)1(21
1
.
1
)(
)(
pTpTKpU
pI

ssiid
++
=
(1.17)
Thay thế biểu thức trên bằng tính gần đúng hàm truyền của mạch vòng dòng điện
pTKpU
pI
siid
21
1
.
1
)(
)(
+
=
(1.18)
Nếu mạch vòng dòng điện đợc tổng hợp theo tiêu chuẩn tối u đối xứng:
pTKpU
pI
siid
41
1
.
1
)(
)(
+
=
(1.19)

Với S
w
là sen sơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền K
w
và
hằng số thời gian (lọc) T
w
. Thờng T
w
có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T
s
= 2T
s
+ T
w
, đối
tợng điều chỉnh có hàm truyền:
)1'2(
1
.)(
02
+
=
pTPTKK
KR
pS
sci
u

(1.20)

Theo tiêu chuẩn tối u module, có thể xác định đợc hàm truyền của bộ điều
chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ:
'
2
'2
1
.
P
su
ci
K
aTKR
TKK
R =

=


(1.21)
Hình 1.4 Sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh tốc độ

K/1
pT
K
s
i
21
/1
+

R
pTK
R
c
u



pT
K
+1
U
Wđ
-I
C
M
C
E
HCD
-
U
W
S
W
9
1.1.2.2. Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI:
Trong nhiều thiết bị công nghệ thờng có yêu cầu hệ thống điều hỉnh vô sai cấp
cao, khi này cơ thể sử dụng phơng pháp tối u đối xứng để tổng hợp các bộ điều chỉnh.
Với mạch vòng điều chỉnh tốc độ hàm truyền của bộ điều chỉnh có dạng:
pKT

pT
pR
0
0
1
)(
+
=

(1.22)
Và hàm truyền mạch hở sẽ là:
)1'2(
1
.
.
.
1
)(
0
0
0
+
+
=
pTpTKK
KR
pKT
pT
pF
sci

u

(1.23)
Thông qua hàm truyền mạch hở có thể tìm đợc hàm truyền mạch kín F(p), đồng
nhất F(p) với hàm chuẩn tối u đối xứng ta tìm đợc tham số của bộ điều chỉnh.
Nếu chọn T
s
= T
s
thì: T
0
= 8T
s

'
2
'4.
.'8
)'2(8
.
.
.
s
ci
u
s
s
ci
u
T

TKK
KR
T
T
TKK
KR
K

=

=

(1.24)
)
.'8
1
1(
'4
1
.
.
)(
pTTKR
TKK
pR
ssu
ci
+

=

(1.25)
Tổng hợp hệ thống theo phơng pháp tối u đối xứng thờng phải dùng thêm
khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu đặt này thờng có hàm
truyền của khâu lọc thông thấp bậc nhất, có hằng thời gian lọc thuỳ thuộc vào gia tốc
cho phép của hệ thống.
Hàm truyền mạch kín của hệ thống:
1]1).'21(.'4[.'8
.'81
)(
)(
)(
+++
+
==
pTpTpT
pT
pU
pU
pF
sss
s
d



(1.26)
Căn cứ vào biểu thức trên có thể tính đợc hàm truyền đối với tín hiệu nhiễu loạn
dòng điện tải:

1]1).'21(.'4[.'8
.'81
)(
)(
)(
+++
+
=


=
pTpTpT
pT
pI
pI
pF
sss
s
c
i
(1.27)

và tính đợc sai số tơng ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:
1]1)'21('4['8
)'21('8
.
'4

)]()([
)(

+++
+

=


=
pTpTpT
pTPT
TK
IRT
R
pTK
pIpI
p
sss
ss
c
cus
u
c
c

(1.28)
1.1.2.3. Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện:

Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng quá dòng lớn lại không có yêu cầu
cao về điều chỉnh gia tốc, hoặc khi sử dụng các truyền động công suất nhỏ dùng bộ băm
xung áp có tần số làm việc lớn đến mức không xuất hiện vùng dòng điện gián đoạn thì
có thể không cần xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Trong trờng hợp T
c
> 4T

thì hàm truyền của đối tợng sẽ là:
10
)1)(1)(1)(1(
)(
21
02
pTpTpTpT
K
pS
b
s
++++
=

(1.29)
Hình 1.5- Sơ đồ cấu trúc hệ thống tốc độ
E
đ
M
c
U
wđ
-
b
b
pT

K
+1
cuc
u
u
TTppT
pT
K
R
2
2
1
)1(
)(
++
+

w
w
pT
K
+1
cuc
D
TTppT
K
2
1 ++
R
w

-

trong đó K
s
= K
b
.k
D
.K
w

Giả thiết rằng T
2
> T
1
và T
1
, T
2
lớn hơn nhiều so với T
b
, T
w
thì theo tiêu chuẩn
module tối u ta tổng hợp đợc bộ điều chỉnh tốc độ kiểu PID có hàm truyền nh sau:
apKT
pTpT
pR
ss
2

)1)(1(
)(
21
++
=

, T
s
= T
b
+ T
w
(1.30)
với hệ số a = 1 thì hàm truyền hệ kín sẽ là:
1)21(2
1
)(
)(
++
=
pTpTpU
pU
ssd


(1.31)

Hệ thống đạt vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển. Nếu hệ thống có hằng số
thời gian cơ học T
c

nhỏ thì tơng ứng nên giảm hệ số khuếch đại của mạch vòng điều
chỉnh, nghĩa là nên chọn hằng số a > 1.
1.1.2.4. Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2 thông số:

Điều chỉnh từ thông
Trong trờng hợp điều chỉnh dòng điện kích từ thì hàm truyền của đối tợng có
dạng sau:
)1)(1(
1
.
1
)(
)(
skk
v
kk
k
pTpT
pT
RpU
pI
++
+
=
(1.32)

trong đó: U
k
giá trị trung bình điện áp ra của bộ biến đổi;
R

k
, T
k
thông số dây quấn kích từ;
T
v
hằng số thời gian dòng xoáy
T
sk
tổng các hằng số thời gian nhỏ trong mạch kích từ
11
Các hằng số thời gian T
k
, T
v
phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tính từ hoá, do
đó chúng là phi tuyến, tuy nhiên tỷ số giữa chúng là không đổi. Trong trờng hợp điều
chỉnh từ thông thì cần có sen sơ từ thông:
v
v
k
pT
K
pI
p
+
=

1)(
)(

(1.33)
Trong đó Kv là hệ số khuếch đại vi phân, tức là độ nghiêng của đặc tính từ hoá tại
điểm làm việc.
Việc tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện kích từ để điều chỉnh tốc độ động
cơ gặp nhiều khó khăn do các thông số của mạch kích từ thay đổi rất mạnh khi điều
chỉnh. Giải pháp chính xác hơn cả là sử dụng các bộ điều chỉnh thích nghi hoặc các bộ
điều chỉnh phi tuyến.
Điều chỉnh dòng điện kích từ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền
động công suất không đổi hoặc khi cần điều khiển đồng bộ tốc độ nhiều động cơ trên
một dây truyền công nghệ

Điều chỉnh sức điện động:

Để giữ đợc giá trị sức điện động là hằng số cần phân phối hợp điều chỉnh tốc độ
và từ thông. Do sức điện động là hàm của hai biến (E = K) nên chắc chắn trong hệ
thống điều chỉnh phải chứa các khâu chức năng phi tuyến.
Để thực hiện sen sơ sức điện động thì đơn giản hơn cả là dùng mạch đo điện áp và
dòng điện phần ứng:
)().1()()( pIpTRpUpE
uus
+
= (1.34)
Khi tốc độ thay đổi, qua sen sơ tốc độ và khối trị tuyệt đối N2 sẽ đa tín hiệu điều
chỉnh độ dốc của phần tuyến tính của khối N1, do:
dm
dm
KK
p
pE

==
)(
)(
(1.35)
Do đó độ dốc của khối N1 sẽ là:


dm
N
K =
1
(1.36)

Khối N1 có thể đợc thực hiện bằng mạch khuếch đại kiểu thông số
)1)(1(
1
1
)(
skk
v
k
ok
pTpT
pT
R
pS
++
+

=
(1.37)

Điều chỉnh hai thông số

Đầu vào của bộ điều chỉnh sức điện động R
E
là giá trị định mức của tín hiệu đặt
Eđ. Trong vùng điều chỉnh dới tốc độ cơ bản thì giá trị đặt của dòng điện kích từ là Ikđ
không đổi, tơng ứng với giá trị không đổi của từ thông. Khi sức điện động đạt đến giá
14
Từ (2-1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh đợc tốc độ động
cơ. Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có
bộ biến đổi tần số.
Với giả thiết mạch từ động cơ cha bão hoà, các cuộn dây stato ba pha đối xứng,
các tham số của động cơ không thay đổi, ta có thể dùng phép biến đổi tuyến tính Park.
Tất cả quá trình điện từ cơ của động cơ đợc biểu diễn trên hệ trục toạ độ d, q (stato) và
D, Q (rôto) (xem hình 1-8b)
Đối với mạch stato:
'
'
d
q
qsq
q
d
dsd
dt

d
iRU
dt
d
iRU




++=
+=
(2.2)
Đối với mạch kích từ:
dt
d
iRU
Kt
ktktkt

+= (2.3)
Đối với mạch cuộn dây khởi động:
.
,
dt
d
iRU
dt
d
iRU
D

DDD
Q
QQQ


+=
+=
(2.4)
Phơng trình mô men động cơ:
dqqd
iiM


=
(2.5)
Phơng trình động học:
c
M
dt
d
jM +=

(2.6)
Phơng trình từ thông
,. iL=

(2.7)
trong đó:
QQp
DDkD

KDktkd
pQq
ddkd
Q
D
kt
q
d
Q
D
kt
q
d
LL
LLL
LLL
LL
LLL
L
i
i
i
i
i
i
000
00
00
000
00

;;
0
===







15
I
sa
U
sa
Ud
U
d
U
sb
b
I
sb
0
I
0
c
U
kt
d

v
I
sc
Ud
U
d
U
q
q
I
q
0
I
0
c
U
k1
d
v
Ud
0
I
0
c
U
k1
v
I
s
U

s
U
s
I
s
Hình 1.8 Mô tả cấu trúc động cơ đồng bộ
a) Ba pha, b) Biến đổi d, q, c) Biến đổi
a)
b) c)

L
d
, L
q
, L
kt
, L
D
, L
Q
là điện cảm toàn phần theo các trục, L
dĐ
, L
Dđ
, L
kd
; L
pQ
, l
Qq

, L
kD
, L
Dk
là
hỗ cảm giữa các trục.
Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ đồng bộ trình bày trên H-1.9. Ngoài ra có thể dùng
phép biến đổi tuyến tính với hai trục cố định


,
để mô tả toán học động cơ (xem H-
1.8c).
1.2.2. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập
Từ hệ phơng trình mô tả toán học (2.2) đến (2.7), thay toán tử đạo hàm
0=
dt
d
,
đồng thời gần đúng, bỏ qua điện trở stato (R
s
= 0), ta nhận đợc các phơng trình chế độ
xác lập:
qqsd
XIUU ==

sin
(2.8)
ddsq
xIEUU ==

cos
(2.9)
()


+= cos
sq
II (2.10)
()


+= sin
sd
II (2.11)
Thành phần dòng phản kháng:









++=
=

2
Im
sin1cos
cossin
q
qd
d
s
d
dq
x
xX
X
U
X
E
III
(2.12)
Đồ thị vectơ đợc vẽ trên H.1-10, trong đó góc

là góc lệch giữa điện áp và sức
điện động, còn gọi là phụ tải, góc

là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp,

là góc
lệch pha giữa dòng điện và sức điện động (Đối với máy cực ẩn X
d
= X
q

).
17
1.2.3. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu trúc và
đặc tính điều chỉnh khác nhau tuỳ thuộc vào công suất, tải và phạm vi điều chỉnh.
Trong thực tế, động cơ đồng bộ đợc chế tạo ở các dải công suất:
Rất nhỏ: vài trăm W đến vài kW
Nhỏ: vài kW đến 50kW
Vừa: 50 kW đến 500kW
Lớn: lớn hơn 500kW.
ở dải công suất rất nhỏ, động cơ đồng bộ có cấu tạo mạch kích từ là nam châm
vĩnh cửu, thờng dùng cho cơ cấu truyền động có vùng điều chỉnh rộng, độ chính xác
cao, có tải M
c
= const, ở trong trờng hợp này bộ biến đổi đợc dùng là biến tần tranzito,
nguồn áp biến điệu bề rộng xung.
ở dải công suất nhỏ, động cơ đồng bộ cho phụ tải yêu cầu vùng điều chỉnh không
rộng lắm, lúc đó bộ biến đổi đợc dùng là biến tần tiristo, nguồn dòng chuyển mạch tự
nhiên.
ở dải công suất vừa và lớn, động cơ đồng bộ thờng dùng cho các máy bơm, nén
khí, máy nghiền và kéo tàu v.v với vùng điều chỉnh cỡ 10:1 trong các trờng hợp này
bộ biến đổi đợc dùng có hai loại: Biến tần tiristo nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên và
biến tần trực tiếp tiristo (cycloconvertor).
Trong phạm vi chơng này, chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hai loại truyền động động
cơ đồng bộ: dùng biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên.
1.2.4. Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển
mạch tự nhiên
Mạch lực của hệ truyền động đợc trình bày trên H. 1.11 bao gồm: chỉnh lu
tiristo (CL), cuộn cảm lọc (L

d
) và nghịch lu tiristo (NL). Để đảm bảo NL làm việc đợc
trong chế độ chuyển mạch tự nhiên, động cơ phải ở chế độ quá kích từ. Lúc đó NL thực
chất là chỉnh lu làm việc trong chế độ nghịch lu bị động với điện áp động cơ, vì vậy
trong mạch nghịch lu không có các phần tử chuyển mạch.
18
PWM
R
I
R
w
Vi xử lý
Mạch
ghép nối
I/O
Mạch xử lý
tín hiệu
Sevo. on
Tín hiệu vị trí rô to
PG
M
U
I
U
w
U
+
-
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần tranzito PWM

1.2.4.1. Quá trình chuyển mạch

Trên Hình 1.12 mô tả nguyên lý làm việc của nghịch lu NL có hai nhóm van:
nhóm anốt chung (T
1
T
3
T
5
) nhóm ca tốt chung (T
4
T
6
T
2
). Góc dẫn mỗi van 120
0

điện, thứ tự dẫn các van theo từng cặp (T
1
T
2
; T
2
T
3
; T
3
T

4
; T
4
T
5
; T
5
T
6
; T
6

T
1
). Trong một chu kỳ điện áp của động cơ có 6 lần chuyển mạch. Do dòng điện vợt
trớc điện áp, nên khi chuyển mạch: đối với tiristo đợc mở điện áp có chiều thuận ( (+)
anốt; (-) catốt); tiristo bị khoá, điện áp có chiều ngợc ((+) catốt; (-) anốt). Vì vậy cần
phải có tín hiệu đồng bộ với sức điện động hoặc điện áp động cơ. Từ đó mạch phát xung
sẽ phát xung mở sớm một góc so với điện áp của động cơ. Việc tạo tín hiệu đồng bộ có
thể dùng mạch đo vị trí rôto hoặc đo trực tiếp điện áp động cơ.
19
T
1
w
L
d
R
d
T
1

T
2
T
3
T
4
b
T
6
T
5
ai
a
c
U
d
0
i
b
i
k
i
c
T
2
T
3
T
4
T

5
T
6
b)
a)
Hình 1.12 : a) Nguyên lý làm việc của nghịch luu, b) Thứ tự dẫn các tiristo

Trên Hình 1.13 khảo sát quá trình chuyển mạch từ T
5
sang T
1
. Tại thời điểm trớc
chuyển mạch cặp tiristo T
5
T
6
đang dẫn dòng I
d
, lúc đó







=
=
=
=

bcm
dc
db
a
UUU
Ii
Ii
i 0
(2.14)
Hình 1.13 Quá trình chuyển mạch từ T
5
sang T
1
i
a
i
đ
i
c
e
A
e
C
e
B
L
A
L
B
L

C
T
1
T
5
T
6

Cuối quá trình dẫn T
5
T
6
, cho xung mở T
1
, điện áp U
cA
> 0, U
a
< 0 nên T
1
mở, lúc
đó tạo thành mạch vòng ngắn mạch: T
1
pha a pha c T
5
T
1
. Dòng điện i của mạch
vòng cùng chiều với dòng qua T
1

và ngợc chiều với dòng qua T
5
(do U
cA
> 0). Dòng
qua T
1
thuận lợi hơn nên có trị số tăng dần đến I
d
, dòng qua T
5
khó khăn hơn nên giảm
dần về 0, nh vậy dòng qua T
5
sẽ chuyển sang T
1
; đồng thời T
5
bị điện áp ngợc (U
C
> 0)
đặt lên, nên nó bị khoá. Góc

đợc gọi là góc mở tiristo:
,



+=

trong đó

là góc trùng dẫn,

là góc phục hồi đặc tính khoá,

đợc tính
q
t


(t
q
là thời gian khoá tiristo)
Nếu góc

không đủ lớn, T
5
không kịp khoá dẫn đến lật chế độ nghịch lu.
20
Phơng trình dòng điện và điện áp khi chuyển mạch.
dt
di
dt
di
dt
di
LU
dt
di

Lu
iIi
Ii
ii
ca
c
c
a
a
dc
db
a
=
+=+
=
=
=
(2.15)
Giải phơng trình đối với i
a
:
()

== tUU
dt
di
L
mCA
a
sin2 (2.16)

Với điều kiện đầu i
a
= 0; Giải (6-16) nhận đợc
()
[]


coscos
2
= t
L
U
i
m
a
(2.17)
Khi
,


=
t

i
a
= I
d
; i
c
= 0. ta có:

()
d
m
I
U
L


2coscos = (2.18)
Điều này cho thấy góc trùng dẫn

là hàm của U
m
,

, I
d
và

. Điện cảm chuyển
mạch L đợc tính gần đúng bằng
2
2
''''
qd
XX
L
+
=

(2.19)
Điện áp khi chuyển mạch
b
ca
cm
U
UU
U
+
=
2
(2.20)
Góc lệch pha giữa dòng và áp điều hoà bậc 1

5,0
1
=
(2.21)
1.2.4.2. Mômen của động cơ
Mô men động cơ sinh ra do tác dụng của từ trờng cực từ
r

và từ trờng phần ứng
s

s
. Do trong một chu kỳ nghịch lu chuyển mạch 6 lần, từ trờng phần ứng
s

sẽ

quay tròn qua 6 điểm cố định, kế tiếp nhau lần lợt theo thứ tự dẫn của các cặp tiristo
dẫn. Từ trờng cực từ
r

quay tròn với tốc độ của rôto. Mômen động cơ trong một
khoảng dẫn tiristo đợc tính.
,sin
1

sr
Km = (2.22)
trong đó:
1

là góc lệch giữa
r
và
s

; K là hệ số tỷ lệ
3/03/2
1

<<++= tt (2.23)

là góc lệch giữa dòng điện stato và sức điện động E.
Giá trị trung bình của mômen đợc tính:
21
()
tdtKM

srtb




++=
3/
0
3/2sin
3/
1
(2.24)


cos
3
srtb
KM =
(2.25)
2/0
2/0;2/00






==

<

<
<>
khiM
khiMkhiM
tb
tbtb


1.2.4.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động

Thực chất chuyển mạch tự nhiên của nghịch lu là chuyển mạch theo điện áp tải.
Nhờ điện áp của mạch vòng chuyển mạch để mở và khoá các tiristo. Khi ở tốc độ thấp,
điện áp động cơ nhỏ, điện trở mạch stato lúc này có thể so sánh với điện cảm, nên gây
sụt áp lớn. Do vậy ở tốc độ thấp việc chuyển mạch tự nhiên khó khăn hơn, đến một giá
trị nào đó thì chuyển mạch tự nhiên sẽ không thực hiện đợc, đó là giới hạn của chuyển
mạch tự nhiên. Thực tế giới hạn chuyển mạch tự nhiên ở khoảng tốc độ 5 + 10% tốc độ
định mức động cơ. Điều này dẫn đến vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ 0 đến (5 410%)
tốc độ định mức.
Tuỳ theo loại phụ tải, cấu tạo của động cơ và công suất động cơ, ta có các biện
pháp khởi động thích hợp.
a) Khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức
Làm việc của nghịch lu chuyểnmạch cỡng bức giống nh trong truyền động điều
khiển tần số động cơ không đồng bộ. Biện pháp khởi động này dùng cho mọi loại động
cơ, ở các giải công suất khác nhau.
b) Khởi động dùng phơng pháp dòng gián đoạn.
Nội dung của phơng pháp này là: Dựa vào tín hiệu đồng bộ (vị trí rôto), ta xác định
đợc điểm chuyển mạch. Tại thời điểm đo góc mở chỉnh lu CL đợc tăng
0
1
90>

,
dòng I
d
giảm về giá trị 0. lúc này ta cho xung mở tiristo nghịch lu để tiến hành chuyển
mạch. Mặc dù lúc đó điện áp thấp nhng dòng I
d
đã giảm về 0, nên chuyển mạch đã thực
hiện đợc, phơng pháp khởi động này thờng thực hiện ở công suất lớn, tải nhẹ.
c) Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ.
Phơng pháp này giống nh khởi động động cơ đồng bộ ta thờng gặp. Nhng nó
chỉ ứng dụng với động cơ có cuộn dây khởi động (hoặc rôto có lồng sóc khởi động) và
động cơ vận hành với lới điện áp xoay chiều.
6-7.4. Quy luật điều khiển
Việc nghiên cứu quy luật điều khiển ở đây, tơng tự nh trong truyền động điều
khiển tần số động cơ không đồng bộ. Tức là cần phải lập luật điều khiển nh thế nào đó
để trong suốt giải điều chỉnh động cơ sinh ra mô men khắc phục mômen phụ tải và tổn
22
thất là nhỏ nhất. Đối với truyền động động cơ đồng bộ dùng bộ biến đổi dòng điện
chuyển mạch tự nhiên, mômen động cơ phụ thuộc vào ba đại lợng:
I
d
quyết định giá trị từ thông ứng
,
s


I
kt
dòng kích từ quyết định giá trị từ thông

r


Góc mở

hay góc lệch

hoặc

.
Trờng hợp đơn giản nhất ta có quy luật điều khiển từ thông cực từ không đổi và
góc lệch

không đổi:
Từ thông rôto
r
~

E
, nếu giữ dòng kích từ không đổi ta có quan hệ const
E
=

và
r
= const.
- Góc lệch giữa dòng điện và sức điện động

đợc giữ không đổi
Nh vậy theo (2-25) ta có M = CI

d
(2-26) trong đó: C là hằng số.
Điều chỉnh mômen theo quan hệ (2-26), truyền động động cơ đồng bộ tơng đơng
với truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập.
1.2.5. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần
nguồn dòng
Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ biến tần nguồn dòng rất đa dạng.
Mạch lực gồm có bộ chỉnh lu tiristo CL I cuộn cảm lọc một chiều L
d
, nghịch lu tiristo
NL II, mạch kích từ dùng chỉnh lu tiristo CL II
Mạch điều khiển gồm ba phần:
a) Mạch điều khiển chỉnh lu có hai mạch vòng điều chỉnh: tốc độ

R và dòng điện
R
I
.
b) Mạch điều khiển kích từ có một mạch vòng điều chỉnh kích từ đảm bảo giữ dòng
kích từ không đổi.
c) Mạch điều khiển nghịch lu có ba phần chính: Mạch tạo tín hiệu đồng pha, mạch
dịch pha tạo góc vợt trớc

và mạch phân phối xung, khuếch đại xung.
Mạch tạo tín hiệu đồng pha ở đây dùng cơ cấu đo vị trí rôto đợc cấu tạo bởi đĩa
gắn cứng vào trục rôto và bốn đầu đo optron (cấu tạo đĩa đo ứng với động cơ 2p = 4). Ba
đầu đo O
1
, O
2

, O
3
sẽ đo vị trí rôto cho ta ba tín hiệu PA, PB, PC đồng pha với EA, EB,
EC. Đầu đo O
4
đo tốc độ động cơ SP. Số xung ra ứng với số nhịp trong chu kỳ sức điện
động là 128 xung.
- Từ bốn tín hiệu PA, PB, PC và SP đa vào mạch dịch pha, mạch này có cấu tạo
đơn giản là mạch đếm chơng trình 6 bít, bằng việc đặt trớc dung lợng đồng bộ đếm
ban đầu b0, b1, b2, b3, b4, b5, tơng ứng với góc vợt trớc

.
- Mạch phân phối xung và khuyếch đại xung có cấu tạo tơng tự nh mạch điều
khiển nghịch lu trong điều khiển tần số động cơ không đồng bộ. Mômen động cơ có thể
viết dới dạng:
23



cos
s
I
E
K
p
M == (2.27)
Nếu đảm bảo điều kiện I
kt
= hằng số, thì tỷ số

E
sẽ là hằng số. Đồng thời với việc
đặt trớc góc

= const, ta có:
M

= CI
s
= C
l
I
d
. (2.28)
Nh vậy mômen trung bình của động cơ đồng bộ sẽ đợc điều khiển tơng tự nh
mômen động cơ một chiều.
Khởi động hệ truyền động: ở đây sử dụng phơng pháp khởi động không đồng bộ,
nối trực tiếp với lới để tốc độ đạt đến (10 15%) tốc độ định mức sau đó đa bộ biến
đổi tần số vào làm việc đảm bảo điều kiện chuyển mạch tự nhiên (Đầu tiên k đóng ở vị
trí 1, khi khởi động đến 10 15%
dm

, K chuyển sang vị trí 2).
Truyền động thực hiện hãm tái sinh: lúc đó bộ chỉnh lu CL
I
có góc điều khiển
0
90>
I

điện áp chỉnh lu U
d
< 0, bộ nghịch lu NL
II
có góc điều khiển
00
90180 <=

II
lúc đó sẽ có U
NL
> 0.
Trong một số trờng hợp mạch đo vị trí rôto không thích hợp với cấu trúc về cơ
hoặc môi trờng làm việc, ngời ta thay thế bằng việc đo điện áp stato của động cơ (cách
ly mạch lực bằng biến áp hay các phần tử optron). Lúc đó tín hiệu đồng pha không phải
là sức điện động mà là điện áp stato U
a
, U
b
, U
c
và góc lệch pha cần điều khiển là góc

.
Ví dụ

= 30
0
thì
0

150=
II

ở chế độ động cơ,

= 150
0
,
0
30=
II

trong chế độ hãm tái
sinh.
Mômen động cơ đợc tính:


cos
3
ss
IU
M =
(2.29)
Nếu ta giữ

= const, và

U
= const, thì mômen động cơ sẽ tỷ lệ với dòng I
d

.
M = C
2
I
d
. (2.30)
Để đảm bảo quan hệ
const
U
s
=

, mạch kích từ cần bố trí thêm bộ điều chỉnh điện
áp R
u
.
1.3. Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn
1.3.1. Mô tả toán học động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn
Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn là máy điện quay có nhiều dây quấn trên
rô to và stato, phơng trình cân bằng điện áp của mỗi dây quấn nh sau:
dt
d
iRu
k
kkk

+= (3.1)

24
Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn là:

=
k
kjk
ijL .

; (3.2)
trong đó: k,j là tên các cuộn dây quấn pha
j = k điện cảm tự cảm
j k điện cảm hỗ cảm
Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ qua tổn hao sắt thì mô men điện từ của động
cơ là:
dt
d
iM
k
k
k


=
2
1
(3.3)
Góc lệch giữa trục dây quấn cùng pha của rôto và stator là thì tốc độ quay của
rôto là đạo hàm của góc này
dt
d

=
(3.4)

Nếu coi động cơ có 1 đôi cực (Z
p
= 1) thì từ thông các cuộn dây sẽ tính đợc. Ví
dụ từ thông dây quấn pha ở stator:

CaCBaBAaAcacbabaaaa
iLiLiLiLiLiL
+
+
+
++=
.



Nếu coi dây quấn động cơ là đối xứng và khe hở không khí cách đều thì:


R
a
= R
b
= R
c
= R
s
R

A
= R
B
= R
C
= R
r

L
aa
= L
bb
= L
cc
= L
s1
L
AA
= L
BB
= L
CC
= L
r1
(3.5)
L
ab
= L
bc
= L

ca
= -M
s
L
AB
= L
BC
= L
AC
= -M
r


ở đây ta quy ớc các chữ cái thờng: a, b, c chỉ tên dây quấn stator và chữ cái in
hoa A, B, C chỉ tên dây quấn rô to.
Trong (3.5) R
s
, R
r
, L
s1
, L
r1
, M
s
, M
r
là các đại lợng không đổi
Hỗ cảm giữa các dây quấn rooto và stato là các đại lợng phụ thuộc vào góc quay
của rô to và xác định theo công thức:

cosMLLLLLL
CccCBbbBAaaA
=
=====
)
3
2
cos(


+====== MLLLLLL
AccAcbbcBaaB
(3.6)
)
3
2
cos(


====== MLLLLLL
aCCacBBcbAAb

Để tiện lợi trong khi trình bày ta biểu diễn các đại lợng trên dới dạng vectơ và
quy ớc ký hiệu vec tơ bằng chữ in đậm.