Bài giảng điều khiển tốc độc động cơ không đồng bộ

Chương 4

ĐiỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1


Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 2 loại:
• Rotor lồng sóc
• Rotor dây quấn

Đ ộng cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
90kW, 1484v/ph, 630kg
(Nguồn: ABB motors)

2


Động cơ không đồng bộ

3


Động cơ không đồng bộ

4


Động cơ không đồng bộ

5


Động cơ khơng đồng bộ
Theo đặc tính cơ, tiêu chuẩn NEMA của Mỹ chia động cơ không
đồng bộ thành 4 lớp A, B, C, D:
• Lớp B: loại thơng dụng (general purpose)
• Lớp A: có momen tới hạn cao và độ trượt định mức thấp, dùng
trong các ứng dụng có yêu cầu momen tới hạn cao như máy ép
phun (injection molding machine)
• Lớp C: dùng trong các ứng dụng yêu cầu momen khởi động
cao, như băng tải, thang cuốn…
• Lớp D: có độ trượt định mức cao, dùng trong cơ cấu nâng hạ
hoặc các tải có chu kỳ như máy đột dập (punch press
machines)

6


Động cơ khơng đồng bộ

Đặc tính cơ tiêu biểu của ĐC KĐB lớp A, B, C, D (tiêu chuẩn NEMA –
Mỹ )

7


Mạch tương đương của ĐC KĐB
a

I1

R1

X1

I’ 2

R '2

X’2

s

Áp dụng định lý Thevenin:
VX m
Vt =
2
R12 + ( X 1 + X m )

Im
E

V

Xm

θt =
Stator

Rotor

jX m ( R1 + jX 1 )
Rt + jX t =
R1 + j ( X 1 + X m )

b

a
Rt

Xt

I’2

R '2

X’2

 X + Xm 
π
− tan −1  1

2
R

1


s

E

Vt ∠θt

Stator

Rotor
b

8


Giản đồ vector
I1

R1

X1

I’ 2

X’2

R '2

X1I1

s

Im

V

E

R1I 1

Xm

E
I’ 2

V

Momen động cơ:
M = K Φ.I 2' .sin δ 2 = K Φ.I1.sin δ1

Hay :

I1

Φ2
δ2

δ1

Φ

Im

M = K Φ.I 2' .cos Φ 2
9


Các cơng thức tính tốn cơ bản về ĐC KĐB
•

•

•

•

Tốc độ đồng bộ:
2π f ω1
ωdb =
=
p
p
Độ trượt (slip):
ω −ω
s = db
ωdb
Tốc độ trượt:
ωsl = ωdb − ω = sωdb
Tốc độ động cơ (tốc độ quay của rotor):
ω = (1 − s )ωdb

10

Các cơng thức tính tốn cơ bản về ĐC KĐB
•

Quan hệ giữa dòng stator và dòng rotor:
 R2' s + j ( X 2' + X m )  I '2

I1 = 
jX m

•

Cơng suất truyền qua khe hở khơng khí (cơng suất điện từ):
'
'2  R2 
Pdt = 3I 2  
 s 

•

Tổn hao đồng rotor:
PCu − r = 3I 2'2 R2'

•

Cơng suất cơ (cơng suất đưa ra trục động cơ):
Pc = Pdt − 3I 2'2 R2' = (1 − s ) Pdt

•

Momen sinh ra trên trục động cơ (momen điện từ):
Pc Pdt
3 '2  R2' 
M= =
=
I2  
ω ωdb ωdb  s 

11


Các cơng thức tính tốn cơ bản về ĐC KĐB
•

Momen cực đại của động cơ:
Vt 2
3
M max =
2ωdb R ± R 2 + X + X '
t

•

t

(

t

2

)

2

Độ trượt tại đó momen động cơ đạt cực đại:
R2'
sm = ±
2
' 2
Rt + ( X t + X 2 )

12


Khởi động và hãm ĐC KĐB
• Khởi động:
– Động cơ KĐB rotor dây quấn: thêm điện trở vào
mạch rotor
– Động cơ KĐB rotor lồng sóc: giảm áp stator
• Đổi nối Y-∆
• Dùng biến áp tự ngẫu
• Các chế độ hãm:
– Hãm tái sinh
– Hãm ngược
– Hãm động năng
13

Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương
ωdb1
X1
ωdb

R1

ωdb1 '
X2
ωdb

ωdb1
Xm
ωdb

V

Stator

R2'

ωdb1
ωdb1 − ω

Rotor

Mạch tương đương của động cơ ở tần số ω đb1, suy ra từ mạch tương
đương ở tần số ω đb
14

Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương
ωdb
R1
ωdb1

ωdb
V
ωdb1

X1

X 2'

Xm

R2'

ωdb
ωdb1 − ω

Mạch tương đương của động cơ ở tần số ω đb1, suy ra
từ mạch tương đương ở tần số ω đb

15


Hãm động năng ĐC KĐB – ' Mạch tương đương
X2

R1

I’2

Im
Iđt

E

Xm

R2'
−
1− s

Iđt: dòng xoay chiều (tần số ωdb ) tạo ra sức từ động tương đương với dòng một chiều
Id chạy trong cuộn dây stator ở chế độ hãm động năng.
Dấu – trong thành phần − R2' (1 − s) chỉ ra động cơ lúc này nhận năng lượng từ tải
(chế độ hãm). Khi đã lưu ý là momen lúc này có chiều ngược lại so với chế độ động
cơ, sẽ không cần kể tới dấu – này trong mạch tương đương.
16


Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương
Trình tự tính tốn đặc tính cơ của động cơ ở chế độ hãm động năng khi biết đặc tính từ
hóa E(Im) của động cơ:
•
•
•

•

Lấy một giá trị Im,
Suy ra giá trị E tương ứng theo đặc tính từ hóa,
E
Tính Xm: X m =
Im
I dt2 − I m2
Tính I’2: I =
2 X 2'
1+
Xm
'2
2

R2'

•

Tính độ trượt s: s =1 −

•

Tính tốc độ động cơ tương ứng: ω = (1 − s)ωdb

•

3 '2  R2' 
I2 
Tính momen động cơ: M =


ωdb  1 − s 

(E/I )

' 2
2

− X 2'2

17


Điều khiển tốc độ động cơ KĐB
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB:
1. Điều khiển điện áp stator
2. Điều khiển tần số
3. Điều khiển điện trở stator
4. Điều khiển công suất trượt

18


Điều khiển điện áp stator


Thường sử dụng với tải bơm hay quạt gió



Phạm vi điều chỉnh tốc độ khơng cao



Momen tải quạt gió:
2
M c = Cω 2 = (1 − s )ωdb

19


ω(rad/s)

Điều khiển điện áp stator

.5 Vdm

.75 Vdm

Vdm

M(Nm)
Đặc tính động cơ không đồng bộ
khi điều khiển bằng cách thay đổi điện áp stator

20


Điều khiển điện áp stator
Bỏ qua ma sát trên trục động cơ, tổn hao do quạt gió

Có thể chứng minh được dịng rotor tính bởi cơng thức:
3
C
ω
db
I 2' =
3

I1

 (1 − s ) s 



R2' 
R1

X1

I’2

X’2

R '2
V

s

21

Điều khiển điện áp stator
Nếu bỏ qua dịng từ hóa, xem I 2' = I1 , có thể chứng minh được:
I1
(1 − s ) s
=
I dm (1 − sdm ) sdm
Tỉ số này đạt cực đại tại s = 1/3, khi đó:
I max
2
=
I dm 3 3(1 − sdm ) sdm

22


Điều khiển điện áp stator
I 1/Idm

1.4

Sdm = 0.1
1.2

1

Sdm = 0.2

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

Quan hệ I 1/Idm với độ trượt s

s

1

23


ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp
f



Gọi a =



Với a<1 (f


Với a>1 (f>fđm): động cơ được điều khiển với V = const = Vđm,

f dm

.

24


ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp
Họat động với a<1


Từ thơng khơng đổi → dịng từ hóa = định mức,



Có thể chứng minh được:
dịng từ hóa = định mức ⇔



Edm
E
= const =
f
f dm

Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng stator, nguyên lý
bằng

E
= const có thể thay
f

V
= const
f

25