Ước lượng từ thông trong điều khiển vector tựa từ thông rôt động cơ không đồng bộ

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN



NGUYỄN THỊ XUÂN THU


ĐỀ TÀI: ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG RÔT ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ




TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ










Thái Nguyên - Năm 2014
ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Nguyễn Thị Xuân Thu
Sinh ngày: 15 tháng 10 năm 1975
Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công
Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan bản luận văn: Ứơc lƣợng từ thông trong điều khiển
vector từ tựa thông roto động cơ không đồng bộ do tôi tự nghiên cứu hoàn thành
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn. Các số liệu và kết
quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.



Tác giả luận văn


Nguyễn Thị Xuân Thu

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học – Trường Đại học
KTCN Thái Nguyên,Cùng các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ đã quan tâm tổ chức chỉ
đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi. Đặc biệt em xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn. Thầy đã gợi mở
hướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể , tạo điều kiện
giúp em từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu trong quá trình thực
hiện luận văn này.
Em cũng xin trân trọng cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp – những
người đã luôn ủng hộ và động viên em nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tuy nhiên do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu đầy thách thức, chắc
chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo
và đồng nghiệp.
Em xin trân trọng cảm ơn!


Học viên
Nguyễn Thị Xuân Thu

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các các chữ viết tắt vi
Danh mục các hình vẽ và bảng biểu vii
Lời nói đầu 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ 3
1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 3
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3
1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 4
1.1.4 Ứng dụng và ưu, nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha 5
1.2. Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 6
1. 3. Đại lƣợng véc tơ không gian 12
1.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 16
1.4.1. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stato (

0)
16
1.4.2. Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 )
21
1.4. 3. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O) 25

CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO
29
2.1. Nguyên lý điều khiển 29
2.2. Tổng quan về biến tần 33
2.2.1. Biến tần sử dụng trong công nghiệp 33
2.2.2. Các loại biến tần 35
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.3. Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu 37
2.3.1. Phương pháp PWM thông thường 38
2.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian SPWM 41
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 50
3.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
sd
i
và
sq
i
50

3.1.1. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ
thông roto. 50
3.1.2. Tổng hợp hai bộ điều khiển dòng điện riêng rẽ có bù tách kênh 52
3.2. Thiết kế bộ điều khiển từ thông roto 55
3.3. Ƣớc lƣợng từ thông rô to 57
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 60
4.1. Tính toán các thông số động cơ 60
4.1.1.Tính

,,
r s m
L L L
từ mô hình thay thế máy điện 61
4.1.2.Tính
0 0 0
,,
sd sq rd
II


62
4.2.Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab – Simulink 63
4.2.1.Mô hình mô phỏng 63
4.2.2.Kết quả mô phỏng khi thay đổi mô men động cơ 66
4.2.3.Kết quả mô phỏng khi thay đổi lượng đặt từ thông 68
4.3.Đánh giá kết quả thực nghiệm 71
4.3.1. Cấu hình thực nghiêm về điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to động cơ
không đồng bộ 71
4.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 74
4.3.3. Các kết quả thực nghiệm 75
4.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 76




vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu

Diễn giảng nội dung

1
IM
Induction Motor
Động cơ không đồng bộ
2
FOC
Field Orientated Control
Điều khiển tựa từ thông roto
3
FOC-IM
FieldOrientated Control Induction
Motor
Điều khiển tựa từ thông roto cho
động cơ không đồng bộ
4
PWM
Pulse Width Modulation
Điều chế động rộng xung
5
SVPWM
SpaceVectorPulseWidth

Modulation
Điều biến vector không gian














viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
A, Hình vẽ
Số hiệu Nội dung Trang

Hình 1.1. Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB 7
Hình 1.2. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB 9
Hình 1.3. Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto 11
Hình 1.4. (a) Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực;
(b) các đại lượng véctơ 12
Hình 1.5. Phân bổ mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện 13
Hình 1.6. Sức từ động toàn phần của stato 14
Hình 1.7. Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình 1.6
15
Hình 1.8. Biểu diễn vector trên hệ trục αβ
17
Hình 1.9. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0

) 18
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0

) 19
Hình 1.11. Mô hình trạng thái của điều khiển trọng hệ tọa độ (0

)
21 Hình 1.12. Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q
22
Hình 1.13. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ dq 24
Hình 1.14. Biểu diễn vector không gian trong hệ trục gắn với roto (DQ ) 25
Hình 1.15. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 26
Hình 1.16. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 27
Hình 2-1 Đồ thị véc tơ cho trường hợp tựa hệ trục d,q và véc tơ từ thông roto 29
Hình 2-2 . Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ
thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập 31
x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto 32
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 36
Hình 2.5 Điều chế độ rộng Xung ( a. Hai cực tính; b. Một cực tính) 39
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM
thông thường. 40
Hình 2.7. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha. 41
Hình 2.8. Nghịch lưu áp ba pha (a) và đồ thị điện áp ra sáu bậc (b). 42
Hình 2.9. Các sectơ và vectơ biên chuẩn trong mặt phẳng

43

Hình 2.10. Các vectơ biên chuẩn và các sectơ 45
Hình 2.11. Mẫu xung trong mỗi sector 49
Hình 3.1. Dòng điện động cơ trên trục d, q 50
Hình 3.2. Sơ đồ thay thế gần đúng của động cơ không đồng bộ 51
Hình 3.3. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ
thông roto.
52
Hình 3.4. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện
sd
i
và
sq
i
53
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển dòng điện và tách kênh
53

Hình 3.6. Điều khiển dòng riêng rẽ có bù sức điện động e
sd
và e
sq
R
11
và R
12
được lấy
theo (3.7). 54
Hình 3.7.(a)Mô hình mạch vòng điều khiển,
(b) Sơ đồ khối hàm truyền hệ FOC-IM 54 56
Hình 3.8. Mô hình ước lượng dòng điện stato
ˆ
sd
i
và
ˆ
sq
i

58
Hình 3.9. Mô hình ước lượng từ thông
59
Hình 3.10. Mô hình ước lượng momen điện từ 59
xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 4.1. Mô hình tính toán máy điện xoay chiều 61

Hình 4.2. Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán
FOC 64
Hình 4.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trên trục dq 64
Hình 4.4. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh 65
Hình 4.5. Bộ ước lượng từ thông roto
65
Hình 4.6 Khối tính toán góc quay của từ thông rô to 66
Hình 4.7. Đáp ứng tốc độ khi thay đổi momen 66
Hình 4.8. Đáp ứng từ thông khi thay đổi momen 67
Hình 4.9. Đáp ứng dòng điện
d
i
khi thay đổi momen 67
Hình 4.10. Đáp ứng dòng điện
q
i
khi thay đổi momen 67
Hình 4.11. Dòng điện
abc
i
khi thay đổi momen 68
Hình 4.12. Đáp ứng từ thông 69
Hình 4.13. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện
d
i
69
Hình 4.14. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện
q
i
70

Hình 4.15. Đáp ứng dòng điện
abc
i
70
Hình 4.16. Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc 71
Hình 4.17. Biến tần M440.siemensJPC 71
Hình 4.18.PLC S7-300 thu thập tín hiệu 72
Hình 4.19.Hệ thống thí nghiêm JPG 72
xii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 4.20. Hệ thống tải trở 73
Hình 4.21 Máy tính . 73
Hình 4.22. Kết quả thực nghiệm khi thay đổi lượng đặt tốc độ 75
Hình 4.23. Kết quả thực nghiệm đáp ứng tốc độ khi thay đổi mô men 75

B. Bảng biểu
Bảng 2.1: Trạng thái các van , các vectơ biên chuẩn và vectơ
u
45
Bảng 2.2 : Các ma trận tương ứng trong các secto 48
Bảng 4.1: Thông số động cơ 60
Bảng 4.2: Các thông số động cơ tính toán 62
Bảng 4.3: Thông số các bộ điều khiển 63

xiii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



-1-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kỹ thuật điện tử,
công nghiệp, thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động đang phát triển rất mạnh
mẽ. Tự động hóa trong quá trình sản suất đã được phổ biến rộng rãi trong các hệ
thống công nghiệp trên thế giới và đang dần phát triển trong hệ thống công nghiệp ở
nước ta. Vai trò của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp không những giảm nhẹ
sức lao động cho con người góp phần rất lớn nâng cao năng lượng sản suất lao động
mà còn góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm.
Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hóa sản suất
hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ.Theo thiết kế trung bình các hệ thống
truyền động điện chiếm tỷ lệ 60% đến 65% lượng điện tiêu thụ của công nghiệp. Để
đảm bảo năng suất cũng như chất lượng của một quá trình công nghệ thông thường
các động cơ thường phải được điều chỉnh chính xác về tốc độ. Trước kia, để điều
chỉnh tốc độ động cơ người ta thường sử dụng động cơ một chiều bởi vì ưu điểm

của loại động cơ này rất dễ điều chỉnh tốc độ vì phần cảm và phần ứng của chúng
tách rời nhau. Tuy nhiên, động cơ một chiều có nhược điểm là giá thành cao, phải
bảo dưỡng cơ cấu cổ góp một cách thường xuyên gây khó khăn cho người vận
hành. Hiện nay người ta có xu hướng ứng dụng động cơ không đồng bộ trong các
dây truyền sản suất tự động để điều chỉnh tốc độ. Ưu điểm động cơ không đồng bộ;
cấu tạo đơn giản ,dễ chế tạo, giá thành rẻ, dễ sử dụng, vận hành tin cậy và an toàn.
Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ rất khó khăn. Vì vậy người
ta đã nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện hệ thống điều khiển biến tần – động
cơ không đồng bộ. Phương pháp điều khiển này đã trở thành phổ biến trong công
nghiệp.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong phương pháp điều khiển bằng tần số người ta dùng hệ điều khiển véc tơ tựa
từ thông, phương pháp điều khiển này nhằm quy đổi máy điện không đồng bộ ( cảm
ứng) về mô hình tương tự như động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các dòng
điện kích thích và dòng điện sinh mô men tương đối độc lập nhau [1-2]. Khi có mô
-2-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

hình tương đương thì việc tổng hợp điều khiển trở nên đơn giản bởi vì các biến
điều khiển là tương đối độc lập. Các biến điều khiển được mô tả trong hệ tọa độ
quay nên chúng là các lượng một chiều [1].
Trong hệ điều khiển véc tơ tựa từ thông (FOC) vấn đề điều khiển đã khóa chặt từ
thông roto có tính quyết định trong nguyên lý điều khiển. Việc sử dụng cảm biến đo
trực tiếp là rất phức tạp, do đó ước lượng từ thông phải thông qua mô hình của
động cơ.
Kết quả đề tài thiết kế xây dựng mô hình hệ thống biến tần điều khiển đông cơ
không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, sử dụng thuật toán điều khiển véc tơ tựa từ
thông ro to động cơ không đồng bộ. Để làm bộ thí nghiệm giảng dạy trong môn học
truyền động điện tại phòng thí nghiệm Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Hóa Chất.
2. Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nhằm đi sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển FOC và mô hình
ước lượng từ thông, thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để kiểm trứng với kết quả
thiết kế(với đối tượng điều khiển là mô hình hệ thống biến tần điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc ) tại trung tâm thí nghiệm của Trường Đại Học
Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.
3. Nội dung của luận văn
Với nội dung đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau
Chương 1: Tổng quan về mô hình điều khiển FOC động cơ không đồng bộ trong
không gian khác nhau.
Chương 2: Nguyên lý điều khiển véc tơ tựa từ thông
Chương 3: Thiết kế điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường Đai học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Kết luận và kiến nghị
-3-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ
1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ
Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên
cứu ảnh hưởng của từ trường dòng điện. Một năm sau đó, Michael Faraday đã
khám phá ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời. Faraday tiếp
tục khám phá ra cảm ứng điện từ vào năm 1831 nhưng phải đến năm 1833 thì
Tesla mới phát minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều. Ngày nay, các động
cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều,
động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Cho đến

ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của
Oersted, Faraday và Tesla/.
Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và
phần Rotor quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ
Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch)
1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) .
1. Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.
a. Vỏ máy: Thường làm bằng gang. Đối với máy công suất lớn (>1000kW)
thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố dịnh và không
dùng để dẫn từ .
-4-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

b. Lõi sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm ghép
lại. Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nhằm
giảm tổn hao do dòng xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có sơn cách
điện. Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn
c. Dây quấn: Được đật vào các rãnh lõi sắt và cách điện với lõi sắt. Dây
quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120
0
.
2. Rotor
a. Trục: Làm bằng lói thép để đỡ lõi sắt rotor.
b. Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở stator. Lõi sắt được ép
trực tiếp lên trục. Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
c. Dây quấn: Gồm 2 loại rotor dây quấn và rotor lồng sóc
- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator. Dây quấn 3 pha rotor
thường đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở 1
đầu trục và qua chổi than có thể đưa điện ra ngoài. Có thể thông qua chổi than

đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện mở máy,
điều chỉnh tốc độ,hệ số công suất. Bình thường làm việc dây quấn rotor nối ngắn
mạch.
- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sất được đật 1 thanh dẫn bằng đồng
hoặc bằng nhôm và được nối tát ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc
nhôm thành 1 cái lồng người ta gọi đó là lồng sóc. Dây quấn rotor lồng sóc
không cần cách điện với lõi sắt.
3. Khe hở: Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm).
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các
quá trình khó khăn, đối với động cơ rô to lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
-5-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
Khi đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator,
khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của
từ truờng này quay với tốc độ góc là:
p
f

2
1


trong đó: f

là tần số dòng 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 Rotor (đối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rotor (đối
với loại Rotor dây quấn). Các dòng điện Rotor này đặt trong từ trường Stator
quay nên sinh ra lực điện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra mômen 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 phía Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor
cũng giảm theo.
Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực
điện từ được sinh ra và rotor quay chậm lại. Do đó tốc độ Rotor không thể bằng
tốc độ đông
bộ, tốc độ đông 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.
1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha
-6-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Các động cơ không đồng bộ có ưu điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất được dễ
dàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại
động cơ được sử dụng rộng rãi. Chúng có Mômen quán tính và trọng lượng nhỏ,
hiệu suất cao, khả năng quá tải lớn và vững chắc. Ngoài ra các động cơ không
đồng bộ có thể làm việc trong các môi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng
không có khả năng đánh lửa. Do những ưu điểm này mà động cơ không đồng bộ
được ưu tiên quan tâm tìm hiểu như bộ biến đổi năng lượng điện cơ.
Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhược điểm, như tốc độ của chúng
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 bằng hằng số đối với tải và từ không tảI tới đầy tải. Điểu này không
giống như các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn

để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mô men và từ thông. Để
nâng cao hiệu suất sử dụngt hì 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.
hơn so với động cơ điện một chiều.
1.2. Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở roto và stato,được nghiên cứu ở
đây với các giả thiết:
- Khe hở không khí là đều
- Mạch từ tuyến tính
- Các dây quấn là đối xứng và được bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở
không khí có dạng hình sin
- Gọi k là tên dây quấn thì ta có phương trình điện áp như sau:
k
k
kkk
e
dt
d
iRu 


-7-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn


k
kjkk

iL


Mômen điện trở của động cơ


k
kjkk
iL


Mômen điện trở của động cơ

m
k
k
k
d
d
iM


.
2
1



Trong đó: as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stato và roto
k=as/bs/cs/ar/br/cr

j= as/bs/cs/ar/br/cr
Đặt L: điện cảm chính của các dây quấn pha stato
L

: điện cảm tản
N
s
: số vòng dây một pha stato
N
r
: số vòng dây một pha roto

m
: vị trí góc của dây quấn roto
thì có thể viết được 6 phương trình điện áp cho KĐB như sau nếu mạch từ còn chưa
bão hòa (điện cảm là hằng)

-8-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

i
as
i
cs
i
bs
ω

θ
m

U
bs
U
cs
U
as
R
e
i
ar
i
br
i
cr
U
ar
U
cr
U
br

Hình 1.1. Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB
as as 1 1 ar
bs 1 bs 1 ar
cs 1 1 c
1 1 2 2
( ) os( ) os( ) os( )
2 2 3 3
1 1 2 2
( ) os( ) os( ) os( )

2 2 3 3
11
()
22
s s bs cs m m m m br m m cr
as s s cs m m m m br m m cr
as bs s s
U R sL i sLi sLi sL c i sL c i sL c i
U sLi R sL i sLi sL c i sL c i sL c i
U sLi sLi R sL i

  

  
        
         
    
s ar
ar as ar 2 2
bs as 2
22
os( ) os( ) os( )
33
2 2 1 1
os( ) os( ) os( ) ( )
3 3 2 2
2 2 1
os( ) os( ) os( ) (
3 3 2
m m m m br m m cr

m m m m bs m m cs r r br cr
m m m m bs m m cs ar r
sL c i sL c i sL c i
U sL c i sL c i sL c i R sL i sL i sL i
U sL c i sL c i sL c i sL i R

  

  

  
    
        
      
br 2
cs as 2 2 cr
1
)
2
2 2 1 1
os( ) os( ) os( ) ( )
3 3 2 2
r cr
m m m m bs m m cs ar br r r
sL i sL i
U sL c i sL c i sL c i sL i sL i R sL i

  

        

(1.1
)
Ta có:
1 2 1 2 1 2
; ; ; ; ;
r
m s r r s s r r
s
N
L L L L L L L L L L L L L
N
   

       


,
sr

là hệ số từ tản của mạch stato và mạch roto
Lại đặt:
-9-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
1 1 1 1
11
2 2 2 2
1 1 1 1

. 1 . 1 .
2 2 2 2
1 1 1 1
11
2 2 2 2
sr
s s r r s s
sr
L L L L R R I



   
   

   
   
   
   
    
   
   
   
   

   
   


22

os( ) os( ) os( )
33
22
; ( ) os( ) os( ) os( )
33
22
os( ) os( ) os( )
33
m m m
r r m m m m m m
m m m
c c c
R R I L L c c c
c c c

  

   

  





    








Và tất cả các đại lượng điện từ được coi như là các vectơ có ba chiều theo ba
trục của dây quấn :
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
'
ar
as as ar
s
bs s bs s bs r br
cs cs cs cr
t
U t i t t
U U t I i t t t
U t i t t t


   



     

     
   

     

     

     


thì ta có thể viết lại hệ phương trình (1.1) như sau

 
 
 
 
 
. . . .
. . . .


s s s r r s m m r
r r r r r r r m m s
s s s m m r
r r r m m s
d d d

U R I R L I L I
dt dt dt
d d d
U R I R L I L I
dt dt dt
L I L I
L I L I





    



    





(1.2)
Mô men điện từ của động cơ có thể được tính như sau:
*
[ ( ) ]
s m m r
m
d
M p I L I

d





Các hệ phương trình mô tả ĐK theo các dây quấn ở stato và roto là các phương
trình có hệ số biến thiên theo vị trí góc của dây quấn roto 
m
trong khoảng [0, 2].
Việc giải trực tiếp các phương trình này có nhiều bất tiện, do đó cần tìm các mô tả
-10-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

khác cho ĐK, một trong những mô hình đó là sơ đồ ba pha của ĐK trong đó đã quy
đổi các dây quấn roto về mạch stato.

Hình 1.2. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB
Trong mô hình quy đổi về stato, dây quấn roto được nối với dây quấn stato, do
đó nó đứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn roto và stato cùng pha là hằng và luôn là
L
m
(do 
m
=0), các đại lượng điện từ ở mạch roto được quy đổi thông qua hệ số
k
e
=N
s
/N

r
và tham số được quy đổi thông qua hệ số k
r
=
k
2
e
, ma trận tham số của mô
hình là các ma trận hằng.
s r s m s r m r
sr
R R I R R I L L L L L L

   
     

'
1'
'
1 1 1 1
11
2 2 2 2
1 1 1
1 . 1
2 2 2 2
1 1 1 1
11
2 2 2 2
sr
r

s m s m r
sr
L L L L



   
   

   
   
   
   
   
   
   
   
   

   
   






















1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
1
.
mm
LL

-11-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trong mô hình hình 1.1 dây quấn roto quay với tốc độ , trong mô hình hình
1.2 dây quấn roto đứng yên, trong khi đó véc tơ từ thông
Ψ
r


vẫn quay cùng với tốc
độ từ trường quay: 
s
=+
sl
.
Trong đó: 
sl
là tần số góc của của dòng điện (từ thông) roto nếu điểm mốc quan sát
nằm trên roto, do đó trong dây quấn roto ở hình 1.2 sẽ xuất hiện các sức điện động
quay e
k
trong phương trình (1.1). Tuy nhiên chỉ có thành phần từ thông vuông góc
với trục dây quấn mới sinh ra sức điện động quay, hình 1.3.

Hình 1.3. Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto
Từ phân tích ở trên ta có thể tính được sức điện động roto

 
 

 
 
'
' ' '
'
' ' '
'
' ' '
' , , ,

3

3
.
3
ar br cr
br cr ar
cr ar br
T
r ra rb rc
p
e
p
e
p
e
e e e e
  
  
  





















(1.3)
Căn cứ vào sơ đồ quy đổi và các ký hiệu quy ước, có thể dễ dàng viết ra được hệ
các phương trình cơ bản của điều khiển trong không gian 3 pha quy đổi về stato:
-12-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

' ' ' '
s s r s
r
r r r r

d
u R I
dt
d
u R I e
dt









  


(1.4)

 
 
'
'
' ' ' ' ' ' '
. . . .
. . .
m
s s s m r s s s r s m
r m s r r s r m s r r m

L I L I L I L I I
L I L I L I L I I


  
  

      




      



(1.5)
 
 
'
' ' '
. . .
3
mb mc ar ma br cr
p
M i i i
  

   


(1.6)

Sơ đồ hình 1.2 và các hệ phương trình kèm theo rất thuận tiện cho việc sử
dụng các phần mềm mô phỏng để tính toán các đại lượng điện từ của động cơ
không đồng bộ, trong trường hợp động cơ roto lồng sóc thì
'
0
r
u 

Từ các phương trình (1. 5) và (1.6) ta có thể dựng được mô hình tương đương
của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ cực như trên hình 1.4, tất cả các đại
lượng điện từ là các véc tơ quay trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, động cơ
có hai dây quấn: dây quấn stato và dây quấn roto quy đổi về stato với các tham số là
các ma trận hằng.
e‟
r
R
s
R
r
‟L
ϭs
L
ϭr
‟
i
s
i

r
‟
L
m
ψ
s
Ψ
r
‟
u
s
u
r
‟

(Hình a)