Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo động cơ điện không đồng bộ với biến tần có công suất đến 10KW

Bộ Công thơng
Tổng công ty thiết bị điện việt nam
Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt nam hungary
************





Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài :
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
ĐộNG CƠ ĐIệN KHông đồng bộ với
biến tần có CÔNG SUấT đến 10KW
Mã số: 111-12RD/HĐ-KHCN







9559


Hà nội 2012

Bộ Công thơng
Tổng công ty thiết bị điện việt nam
Công ty cổ phần chế tạo máy điện

Việt nam hungary
************


Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài :
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
ĐộNG CƠ ĐIệN KHông đồng bộ với
biến tần có CÔNG SUấT đến 10KW
Hợp đồng số: 111-12RD/HĐ-KHCN
Thực hiện theo Hợp đồng Đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, số 111-12/HĐ-KHCN, ngày 23
tháng 03 năm 2012 giữa Bộ Công Thơng và Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt Nam-Hungari
Chủ nhiệm đề tài: KS. Hà Đình Minh
Các thành viên tham gia:
1, KS. Hà Đình Minh
2, KS. Lê Vinh Hoàn
3, KS. Trần Quang Tâm
4, KS. Nguyễn Hồng Hải
5, KS. Lê Sỹ Phú
6, KS.Vũ Văn Thông
7, KS. Phạm Thái Sơn
8, KS. Hoàng Khải Hoàn

Hà nội - 2012
Cơ quan chủ trì






Lê Vinh Hoàn
Chủ nhiệm Đề tài




KS. Hà Đình Minh


1
Mục lục
Nội dung Trang
Chú thích một số ký hiệu sử dụng trong báo cáo 4
TÓM TẮT NHIỆM VỤ 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7
1. Sơ lược về động cơ điện không đồng bộ 7
2. Động cơ điện không đồng bộ làm việc với biến tần 7
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 14
1. Sự cần thiết chế tạo động cơ điện không đồng bộ

chuyên dùng cho biến tần 14
2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện không đồng bộ bằng biến tần 15
2.1 Phương pháp điều khiển U/f không đổi 16
2.2 Phương pháp điều khiển vector 17
3. Tính toán sơ bộ động cơ điện không đồng bộ 20
3.1 Số liệu đầu vào thiết kế 20
3.2 Chọn tham số thiết kế 20
3.3 Trình tự tính toán thiết kế độ
ng cơ mô men khởi động cao trên phần mềm SPEED 36
4. Công nghệ sản xuất động cơ điện 38
4.1 Công nghệ chế tạo phần điện từ của động cơ điện 38
4.2 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí 40
4.3 Công nghệ lắp ráp 42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 44
1. Các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu động cơ điện không
đồng bộ 44
2. Phân tích kết quả thí nghiệm động cơ điện khi làm việc với biến tần do hãng Danfoss-
Đan Mạch chế tạo, cài đặt ở chế độ sensorlessvector: 45
3. Hướng dẫn sử dụng và vận hành và bảo dưỡng động cơ điện cho biến tần 48
4. Những khó khăn khi thực hiện hiện đề tài 50
5. Hiệu quả thực hiện đề tài 50
Phụ l
ục I: 53
Bảng so sánh chất lượng chủ yếu của động cơ biến tần 10kW-1500 r/min 53
Phụ luc II: Kết quả thí nghiệm động cơ biến tần 10 kW-1500 r/min 54
Phụ lục III: Kết quả tính toán động cơ biến tần 10 kW-1500 r/min trên phần 55
mềm thiết kế động cơ Speed 55
Phụ lục VI: Quyết định giao, Hợp đồng KHCN và 65
Biên bản nghiệm thu cấp cơ sở 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

2
MỞ ĐẦU
Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, công nghệ thông
tin, bộ biến tần với động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc đã được sử dụng rộng rãi
trong mọi lĩnh vực của đời sống, từ máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa không khí
dùng trong sinh hoạt gia đình đến các máy móc công nghiệp như động cơ quạt gió,
động cơ bơm nước, máy nén khí, máy gia công c
ắt gọt kim loại, thiết bị cầu trục,
băng tải, băng chuyền trong các nhà máy xi măng, v.v, các động cơ một chiều
dần dần được thay thế bằng biến tần và động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc
độ.
Tuy nhiên, nếu sử dụng động cơ không đồng bộ thông thường cho các loại
tải có mô men làm việc không đổi như máy nén khí kiểu pít-tông, thiết bị
cẩu trục,
thiết bị tời, v.v, qua khảo sát cho thấy động cơ không đồng bộ thông thường dễ
bị “lịm” không kéo được tải do tham số của động cơ thông thường không được
thiết kế để làm việc với biến tần. Ngoài ra, nếu dùng động cơ không đồng bộ thông
thường chạy với biến tần ở tần số thấp dưới tần số định m
ức, động cơ bị phát nóng
quá mức cho phép do quạt làm mát gắn trên trục động cơ không đủ lưu lượng gió
cần thiết.
Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt
Nam-Hungari đã chủ động khảo sát tính năng làm việc của biến tần, quy luật điều
khiển của biến tần và tham số động cơ biến t
ần do các nước có công nghiệp tiến
tiến chế tạo để tiến hành nghiên cứu thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo động
điện chuyên dùng cho biến tần dựa trên các thiết bị sẵn có của Công ty nhằm giảm
chi phí sản xuất xuống mức tối thiểu.
Năm 2012, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã đề xuất

đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo động cơ điện không đồng bộ với biến
tần có công suất 10kW”, đã được Bộ Công Thương phê duyệt qua hợp đồng số
111.12RD/HĐ-KHCN, ký ngày 23 tháng 03 năm 2012
Căn cứ theo hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt Nam-Hungari phải hoàn thành các sản ph
ẩm khoa học công nghệ sau:

3
+Chế tạo thành công 01 động cơ điện không đồng bộ chuyên dùng cho biến tần,
công suất 10kW
+Về tài liệu: Hoàn thành các thiết kế: tính toán thiết kế điện từ, các bản vẽ thiết kế
kết cấu, các chỉ dẫn công nghệ gia công chi tiết, chỉ dẫn công nghệ điện, kết quả
thử nghiệm, so sánh chất lượng sản phẩm đạt được với sản ph
ẩm cùng loại của
Danfoss-Đan Mạch, Ấn Độ, Nhật Bản,v.v , báo cáo định kỳ, báo cáo tổng kết
khoa học kỹ thuật đề tài.
Trong báo cáo tổng kết này trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện trong
đề tài.

4
Chú thích một số ký hiệu sử dụng trong báo cáo
P’(kVA) Công suất tính toán của động cơ
điện
X
1
(Ω)

Điện kháng tản dây quấn Stato

P
đm
(kW)

Công suất định mức của động cơ
điện
X’
2
(Ω)
Điện kháng tản dây quấn rô to
quy đổi về Stato
M
đt
(N.m) Mô men điện từ của động cơ
X
n
(Ω)
Điện kháng ngắn mạch
ω(rad/s)
Tốc độ góc trên đầu trục động cơ x
*
n
(%) Điện kháng ngắn mạch tương
đối
ω
1
(rad/s)
Tốc độ góc của từ trường stato
R
1

(Ω)

Điện trở dây quấn stato
U
1
(V) Điện áp stato
R’
2
(Ω)

Điện trở dây quấn rôto quy đổi
về stato
I
1
(A) Dòng điện stato U
pha-vỏ
(V)

Điện áp thử cách điện pha-vỏ
I
T
(A)

Dòng điện thành phần sinh ra
mômen của stato
R
pha-vỏ
(MΩ)
Điện trở cách điện pha-vỏ
I

M
(A) Dòng điện thành phần từ hóa lõi
thép ở stato
R
t1
(Ω)

Điện trở thuần dây quấn stato ở
nhiệt độ t
1

ψ
1
(Wb)

Từ thông stato
R
t2
(Ω)

Điện trở thuần dây quấn stato
sau khi thử phát nhiệt, nhiệt độ
t
2
ψ
2
(Wb)

Từ thông rôto
∆t(

0
C)
Độ tăng nhiệt dây quấn stato
s Hệ số trượt f
1
(Hz) Tần số dòng điện stato
W
1
Số vòng dây trong 1pha dây quấn
stato
ω
b
Tốc độ góc cơ bản
D
n
(mm) Đường kính ngoài Stato M
k
(Nm) Mômen khởi động
D(mm) Đường kính trong Stato m
k(lần)
Bội số mômen khởi động
k
D
Tỷ số giữa đường kính trong và
đường kính ngoài
I
k
(A) Dòng điện khởi động
D
tR

Đường kính trong rô to U
k
(V) Điện áp khởi động
C
1
Hệ số Carter P
k
(kW) Công suất khởi động
L
1m
(H) Hệ số tự cảm chính của động cơ
Cosϕ
Hệ số công suất
L’
2
Hệ số tự cảm tổng của điện kháng
tản ngắn mạch rôto và điện kháng
chính
Cosϕ
k

Hệ số công suất khởi động
η%
Hiệu suất động cơ điện M
k380
(Nm) Mômen khởi động quy về điện
áp 380V
f
1min

(Hz) Tần số làm việc thấp nhất I
k380
(A) Dòng điện khởi động quy về
điện áp 380V
V
busDC
Điện áp một chiều trên biến tần T
e5;
T
e7
(Nm) Mômen điện từ hài bậc 5, bậc 7
T
e
(Nm) Mômen điện từ

5
TÓM TẮT NHIỆM VỤ
1. Phương pháp thực hiện
- Khảo sát, phân tích các thông số kỹ thuật của một số loại động cơ điện biến tần
do nước ngoài chế tạo như Nhật Bản, Ấn Độ, Đan Mạch v.v,
- Nghiên cứu, thiết kế sản phẩm dựa trên: các thông số kỹ thuật của động cơ điện
biến tần của nướ
c ngoài, yêu cầu của khách hàng và nghiên cứu các giải pháp công
nghệ, vật liệu chế tạo động cơ điện
- Chế tạo thử nghiệm, thí nghiệm, đánh giá chất lượng của sản phẩm chế tạo được
và so sánh với sản phẩm mẫu cùng loại.
- Hoàn thiện thiết kế, hoàn thiện sản phẩm để sản phẩm tạo ra có chất lượng tương
đương hoặc tốt h
ơn sản phẩm cùng loại của nước ngoài.
Mục tiêu của đề tài:

Làm chủ thiết kế, tính toán và chế tạo thử động cơ điện không đồng bộ chuyên
dùng cho biến tần có công suất đến 10 kW.
Nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan;
- Lựa chọn mẫu;
- Thiết kế, xây dựng quy trình công nghệ, chế tạo thử;
- Thử nghiệm đánh giá kết quả;
- Báo cáo kết quả nghiên cứu.

2. Kết quả đạt được
-Bộ bản vẽ thiết kế, bộ bản vẽ quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm của động cơ
điện không đồng bộ cho biến tần có công suất 10kW. Đã chế tạo thành công động
cơ điện không đồng bộ cho biến tần có công suất 10kW(số lượng 01 sản phẩm), có
các tham số chính tóm lược như bảng sau:

6

Mức chất lượng
Mẫu tương tự
TT
Tên sản phẩm và chỉ tiêu
chất lượng chủ yếu
Đơn
vị đo
Kết quả
đạt được
Thế giới

Số
lượng

sản
phẩm
tạo ra
(bộ)
1.
Động cơ điện không đồng
bộ với biến tần công suất
10kW tại điện áp lưới
380V, 50Hz
3K160S4 PM160M DHE16MA4 01
- Dải tần số Hz
1,55 ÷ 2,55


- Mô men làm việc Nm
32,2 ÷ 61


- Dải tần số Hz
4 ÷ 50 10 ÷ 50 5 ÷ 50

- Mô men làm việc Nm 66 58
37 ÷ 62

Dải tần số: Hz
50 ÷ 80 50 ÷ 80 50 ÷ 70

- Công suất định mức kW 10 11 9,5

7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Sơ lược về động cơ điện không đồng bộ
Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có kết cấu đơn
giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành hạ, nên được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống dân sinh
Trong nông nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử
dụng trong máy
xay xát gạo, máy bơm, máy tuốt lúa, máy nghiền ngô, nghiền sắn, v.v,
Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ được sử dụng chủ yếu, nó
chiếm tới trên 90% trên tổng số các loại động cơ điện được sử dụng, động cơ điện
được ứng dụng cho băng tải, máy cán thép, máy tời, cẩu tháp, cẩu trục, máy nén
khí, máy đập đá, máy đầm rung, máy đóng cọc,v.v,
Phân loạ
i động cơ điện không đồng bộ: động cơ không đồng bộ chủ yếu
được phân loại thành động cơ không đồng bộ 1 pha và 3 pha, động cơ không đồng
bộ rô to lồng sóc(hay còn gọi là rô to ngắn mạch) và động cơ rô to dây quấn, ngoài
ra còn có một số loại động cơ không đồng bộ đặc biệt khác nữa như động cơ điện
dùng cho biến tần, động cơ mômen cao, v.v,
Tr
ước kia, do công nghệ điện tử chưa phát triển nên trong các ứng dụng điều
tốc, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều với kết cấu phức tạp nhưng
điều tốc dễ dàng nhưng ngày nay động cơ một chiều đã dần bị thay thế bởi hệ động
cơ không đồng bộ lồng sóc và bộ biế
n tần, trong những ứng dụng cần mô men
khởi động cao, chế độ khởi động dưới tải, nặng nề như: cán thép, động cơ nghiền
bi trong xi măng,v.v, hoặc ứng dụng biến tần điều khiển động cơ điện không
đồng bộ để chạy tải quạt gió, máy bơm, máy điều hòa không khí nhằm tiết kiệm
điện năng.

2. Động cơ
điện không đồng bộ làm việc với biến tần
Việc điều khiển tốc độ động cơ điện không đồng bộ bằng biến tần được phát triển
và ứng dụng ở hầu hết các ngành công nghiệp. Dựa trên đặc tính cơ của tải, các
ứng dụng của hệ động cơ-biến tần được người ta chia làm 3 loại chính:


8
+Ứng dụng điều tốc thông thường(General drives): đa phần dùng cho các loại tải
nhẹ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp từ 0.2ω
b
đến 2ω
b
, động cơ chạy tải máy bơm, quạt
gió, v.v, biến tần điều khiển theo luật U/f. Công suất được duy trì định mức từ tốc
độ ω
b
đến 2ω
b
, ở tốc độ trên định mức thì điện áp được duy trì không đổi.
Ở trạng thái xác lập, dựa trên sơ đồ thay thế tương đương, ta có:

11111
Ψ+=
&&&
ω
jRIU (1.1)
Nếu coi R
s
≈ 0, ta có :

1
1
1
ω
U
&
&
≈Ψ
(1.2) ;
Khi tốc độ tăng ω
1
>ω
b
, điện áp giữ không đổi thì từ thông stato giảm(từ thông
yếu). Chúng ta có thể nói ở vùng tốc độ ω
1
=2ω
b
là vùng từ thông yếu (flux
weakening)
,
từ thông ở vùng điều chỉnh này chỉ đạt ½ từ thông định mức.
Với ứng dụng điều khiển general drives, tiêu chí tiết kiệm năng lượng là quan
trọng, do vậy, ưu tiên sử dụng động cơ hiệu suất cao cho ứng dụng này.
+Ứng dụng công suất không đổi trong dải điều chỉnh tốc độ(Constant power
variable speed applications): ứng dụng cho spindles, hoặc động cơ đẩy trong xe ôtô
hybrid, mụ
c tiêu chính là dải tốc độ điều chỉnh rộng ω
max
/ω

b
>2, thông thường là
3÷4, trong trường hợp đặc biệt có thể là từ 6÷7. Thiết kế động cơ với công suất
không đổi trong dải điều chỉnh tốc độ rộng là tương đối khó vì bội số mô men cực
đại m
max
của động cơ thông thường không vượt quá 3 lần. Để đạt được dải điều
chỉnh rộng thì động cơ điện trong ứng dụng này cần thiết kế để có mô men cực đại
lớn, điện kháng ngắn mạch nhỏ, hệ thống làm mát bằng chất lỏng(dầu hoặc nước),
tôn silíc dùng loại có suất tổn hao thấp, chế độ điều khiể
n của biến tần là U/f là
hằng số
+Ứng dụng kiểu Servodrives: là dạng điều khiển có công suất thay đổi, dùng cho
điều khiển rôbốt, máy công cụ, mô men định mức không đổi(mô men định mức
tương ứng với công suất định mức, tốc độ định mức, điện áp định mức). Đặc tính
của ứng dụng servodrives là đáp tuyến mômen và tốc độ nhanh, trong quá trình
quá độ, độ
ng cơ phải tạo ra mô men lớn trong thời gian ngắn để thắng mômen cản
lúc cần thiết. Ứng dụng này còn duy trì mômen định mức trong dải tốc độ từ tốc độ

9
rất thấp đến tốc độ định mức, nếu có phản hồi tốc độ vòng kín(phản hồi tốc độ
hoặc vị trí) thì tốc độ động cơ có thể xuống đến vài chục vòng/phút, và trong
những ứng dụng này thì việc giảm thiểu mô men ký sinh và hạn chế nhiệt độ phát
nóng của bộ dây là cần thiết.
Thông thường thì điều khiển kiểu servodrives được thiết kế v
ới quạt gió rời,
không đồng trục với động cơ, được cấp nguồn độc lập trực tiếp từ lưới, một số
trường hợp đặc biệt, thân động cơ có thể được làm mát bằng chất lỏng.
Về đặc tính cơ, yếu tố tối quan trọng là động cơ phải có đáp tuyến mô men

và tốc độ nhanh, có mô men ký sinh nhỏ. Chỉ tiêu về hiệu suấ
t và hệ số công suất
trong ứng dụng kiểu này chỉ là thứ yếu, việc chọn công suất và kiểu thiết kế của
biến tần phải phù hợp với yêu cầu nâng cao mô men ở tốc độ thấp. Biến tần trong
ứng dụng này được thiết kế theo luật điều khiển từ thông không cảm
biến(sensorlessvector) hoặc điều khiển từ thông có cảm biến(Vectorcontrol)
Trong đề tài này chúng ta ch
ỉ đi sâu nghiên cứu hệ động cơ-biến tần theo
nguyên lý điều khiển Servodrives, để đáp ứng được yêu cầu điều khiển của ứng
dụng Servodrives thì cấu trúc đầy đủ của động cơ không đồng bộ-biến tần gồm có:
động cơ không đồng bộ, cảm biến đo nhiệt độ bộ dây stato(tùy chọn, có thể có
hoặc không tùy theo phương pháp điều khi
ển), cảm biến đo vị trí và tốc độ trên
trục động cơ, sử dụng trong trường hợp điều khiển tốc độ vòng kín, độ chính xác
cao, các cảm biến loại này có thể là: Incremental encoder, absolute encoder,
resolver hoặc synchro, với những ứng dụng không yêu cầu độ chính xác quá cao
thì người ta không cần dùng đến cảm biến tốc độ mà sử dụng phương pháp điều
khiển từ thông không cảm biến(Sensorlessvector), khi sử
dụng phương pháp này,
dựa vào phản hồi dòng điện và điện áp biến tần có thể tính toán được gần đúng tốc
độ động cơ hiện hành.
Ở Việt Nam, hiện nay chưa có tiêu chuẩn về động cơ chạy biến tần, còn trên
thế giới có tiêu chuẩn IEC 60034-17 quy định về độ bền cách điện, sóng hài,
phương pháp thử nghiệm điện, chế độ làm việ
c, nhưng chưa có tiêu chuẩn quy
định về đặc tính kỹ thuật của động cơ không đồng bộ làm việc với biến tần

10
2.1 Encoder đo tốc độ động cơ điện:
Encoder là cảm biến dùng để xác định vị trí quay và tốc độ quay, encoder thường

được chia làm 2 loại: loại encoder tăng(incremental encoder) và encoder tuyệt
đối(absolute encoder)

H1.1-Hình ảnh encoder
+ Cấu tạo của Incremental encoder:
Bên trong Incremental encoder gồm có 01 đĩa chia vạch, 01 mạch điện tử, 3
đèn phát hồng ngoại và 3 đèn thu đạt đối xứng với đèn phát qua đĩa chia vạch, số
vạch trên đĩa quyết định số xung trên một vòng quay của tín hiệu pha A hoặc B,
việc xác định vị trí quay và tốc độ quay dựa trên việc tính toán số xung đếm được
trong một khoảng thời gian nhất định ho
ặc trên một vòng quay
- Các tín hiệu ra: A, B, Z, có loại còn có các đầu ra đảo
ZBA ,,

- Các xung A và B lệch pha nhau 90
0
: Có nhiều độ phân giải khác nhau cho mỗi
vòng quay. Ví dụ: 600, 1024, 2048 P/R (pulses per revolution-xung trên một vòng
quay), độ phân giải càng cao, giá thành càng đắt.
- Xung Z: Đưa ra một xung cho mỗi vòng quay

11

H1.2- Đĩa quang và tín hiệu ra của Incemental Encoder
+ Cấu tạo của Absolute Encoder:
Cấu tạo cũng gần giống như loại Incemental Encoder. Tuy nhiên loại
encoder tuyệt đối được thiết kế để đo trực tiếp vị trí của trục quay, nên trên đĩa
chia vạch có nhiều lớp chia vạch, đồng thời có nhiều cặp đèn thu-phát hồng ngoại
hơn loại encoder tăng. Mục đích để xác định giá trị tuyệt
đối của vị trí trục. Tùy

theo số vị trí trên một vòng quay cần được mã hóa(độ phân giải) mà đĩa chia vạch
có số lớp tương ứng.
Ví dụ 3 lớp, 4 lớp, 5 lớp, 8 lớp, 12 lớp tương ứng với mã hóa 3 bit, 4bit,
5bit, 8bit, 12bit hay khả năng mã hóa tương ứng là 8 vị trí, 16 vị trí, 32 vị trí, 256
vị trí và 4096 vị trí, v.v, Số vị trí được mã hóa càng nhiều thì giá thành encoder
càng cao


H1.3-
Tín hiệu của Absolute Encoder loại 3 lớp( 3bit, 8 vị trí)

12

*Ưu điểm của Encoder tuyệt đối
- Giá trị số hóa cho các vị trí
- Vị trí tuyệt đối có thể nhận được tại mọi
thời điểm
*Khuyết điểm của Encoder tuyệt đối
- Nhiều tín hiệu ra
- Giá thành cao so với Encoder tăng
- Số bit liên quan tới giá thành và độ phân giải
Encoder tăng được dùng nhiều hơn encoder tuyệt đối vì giá thành rẻ hơn,
encoder tuyệt đối được sử
dụng trong những ứng dụng đòi hòi độ chính xác cao về
vị trí, thời gian đáp tuyến nhanh như máy tiện CNC, máy phay CNC độ chính xác
cao, robot, v.v
2.2 Resolver đo vị trí và tốc độ động cơ điện:
Resolver là một biến áp quay dùng để xác định góc quay của trục, đầu vào
của resolver là điện áp xoay chiều có tần số khoảng vài trăm Hz đến hàng chục
kHz, tín hiệu ra là điện áp xoay chiều là hàm của góc quay. Resolver cung cấp

thông tin giá trị góc quay tuyệ
t đối ngay khi có tín hiệu đầu vào.
Cấu tạo bên trong resolver gồm lõi thép stato và rô to, 01dây quấn đầu vào
được cấp điện áp xoay chiều hình sin có tần số đến hàng chục kHz, đầu ra gồm hai
bộ dây đặt lệch nhau 90
0
gọi là cuộn sine và cosine. Tín hiệu điện áp đầu ra được
đưa về mạch giải mã(decoder), đầu ra của mạch giải mã là trị số góc quay của trục.
*Ưu điểm của Resolver:
+Tín hiệu ra là giá trị tuyệt đối của góc quay
+Độ phân giải cao(thường là 12 bit, có thể tới 32bit), đầu ra chỉ có 4 dây, ít dây
hơn loại Encoder tuyệt đối
+Độ chính xác hầu như không bị ảnh hưởng bởi một số
yếu tố môi trường như bụi
bẩn, rung lắc

13
*Nhược điểm:
+Mạch giải mã tốc độ cao, giá thành cao
+Thiết bị cồng kềnh hơn, đắt tiền

H1.4- Cấu tạo của Resolver và tín hiệu của nó



14
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
1. Sự cần thiết chế tạo động cơ điện không đồng bộ chuyên dùng cho biến tần
Hiện nay, trong công nghiệp cũng như đời sống hằng ngày, động cơ điện
không đồng bộ chạy biến tần được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong thang máy,

cần cẩu, cầu trục, máy nén khí kiểu, quạt gió, máy bơm nước, v.v Hệ biến tần-
động c
ơ điện không đồng bộ dần dần thay thế các hệ truyền động có điều chỉnh tốc
độ như động cơ điện một chiều, động cơ VS vì những ưu việt của nó như tiết kiệm
điện năng, sửa chữa và bảo dưỡng động cơ không đồng bộ đơn giản hơn so với
động cơ VS và động cơ
điện một chiều, bộ biến tần ngày càng phổ biến trên thị
trường nên dễ thay thế khi hỏng hóc xảy ra.
Mặc dù biến tần đã được các nhà sản xuất đầu tư liên tục cải tiến nâng cấp
về mặt kỹ thuật công nghệ, thuật toán điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác
trong hệ điều khiển trong việc điều khiển mô men và tốc
độ. Phương pháp điều
khiển sử dụng trong biến tần rất đa dạng tùy theo từng hãng sản xuất và trong cùng
một hãng cũng cho ra nhiều dòng sản phẩm với những tiêu chí lựa chọn khác nhau
phục vụ cho những ứng dụng nhất định. Có thể kể ra ở đây như biến tần của LG
Hàn Quốc: có dòng biến tần IG5 thiết kế dạng compact dùng cho chung cho các
ứng dụng thông thường như
quạt gió hoặc tải nhẹ, dòng sản phẩm này ứng dụng
phương pháp điều khiển U/f không đổi, để điều khiển tốc độ động cơ điện, dòng
sản phẩm IP5 của LG thiết kế riêng để điều khiển động cơ điện bơm nước và quạt
gió, dòng sản phẩm IS5 được thiết kế cho tải nặng, ứng dụng phươ
ng pháp điều
khiển từ thông không dùng cảm biến(sensorlessvector), dòng sản phẩm IV5 dùng
phương pháp điều khiển vectơ có dùng encoder để đo tốc độ phản hồi. Hãng
Toshiba của Nhật Bản có dòng VSF9, VSF11 dùng phương pháp điều khiển
sensorlessvector, hãng Sheneider có dòng biến tần ATV12 sử dụng phương pháp
sensorlessvector, dòng biến tần ATV71 dùng phương pháp điều khiển véctơ có
phản hồi tốc độ. Hãng Danfoss có dòng biến tần FC51 dùng phương pháp điều
khiển véctơ VVC và VVC
plus

điều khiển từ thông có thể không cần dùng phản hồi
tốc độ, dòng biến tần FC301 và FC302 điều khiển véctơ có phản hồi vị trí bằng
encoder hoặc resolver.

15
Đối với những ứng dụng máy bơm, quạt gió hoặc nhẹ tải, chỉ điều khiển tốc
độ thông thường thì tham số của động cơ điện trong những ứng dụng này cũng
không quan trọng nên không yêu cầu động cơ điện có thiết kế đặc biệt. Với dòng
biến tần sử dụng thuật toán điều khiển véctơ qua khâu phản hồi tố
c độ(encoder
hoặc resolver) thì đặc tính cơ của động cơ điện được biến tần tối ưu hóa dựa trên
tham số chính xác của động cơ điện.
Ở những ứng dụng mà động cơ điện làm việc với tải nặng nhưng cần ổn
định tốc độ với độ chính xác không quá cao, nhưng không thể lắp được cảm biến
tốc độ
do hạn chế về không gian lắp đặt, hoặc không dùng cảm biến tốc độ để
giảm giá thành thiết bị, vì giá encoder và biến tần điều khiển véctơ đắt gấp 2 đến 3
lần so với dùng loại biến tần điều khiển véctơ không cảm biến(sensorlessvector).
Do vậy việc nghiên cứu và chế tạo động cơ điện chuyên dụng cho biến tần dòng
điều khiể
n véctơ không cảm biến rất hữu ích cho người sử dụng biến tần trong
nước
Trong đề tài này, chúng ta nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ 3pha
cho các ứng dụng động cơ làm việc dưới tải, tải nặng như cần cẩu, máy CNC, băng
tải,v.v, , sử dụng biến tần điều khiển theo phương pháp sensorlessvector và điều
khiển véctơ. Dưới đây ta s
ẽ nghiên cứu về các phương pháp điều khiển của biến
tần và đặc tính của động cơ điện không đồng bộ
2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện không đồng bộ bằng biến tần
Lần đầu tiên, bộ biến tần sử dụng phương pháp điều khiển U/f không đổi,

được sử dụng để điều khi
ển tải không yêu cầu mômen khởi động lớn như: quạt,
bơm, có mômen tỷ lệ với bình phương tốc độ. Ưu điểm của phương pháp điều
khiển là đơn giản nhưng đáp tuyến về mômen là chậm.
Với những tải có yêu cầu đáp tuyến mômen nhanh hơn thì người ta thường
sử dụng phương pháp điều khiển từ thông và mômen độc lập giố
ng như điều khiển
trong động cơ điện một chiều gọi là điều khiển véctơ
Trong điều khiển từ thông thì từ thông stato hoặc rôto được điều khiển. Về
bản chất, dòng điện stato gồm hai thành phần: thành phần từ hóa lõi thép và thành

16
phần sinh ra mômen. Trong điều khiển véctơ, biên độ của dòng điện hoặc điện áp
pha cùng với tần số được điều khiển liên tục.
Với điều khiển véctơ thì bất kỳ đặc tuyến mômen/tốc độ nào cũng có thể đạt
được với đáp tuyến nhanh về mômen, miễn là dòng điện và điện áp trong giới hạn
cho phép. Vì vậy mà phương pháp đ
iều khiển véctơ được sử dụng cho các ứng
dụng servodrives.
Ngoài phương pháp điều khiển véctơ, người ta còn có phương pháp điều
khiển trực tiếp mômen và từ thông(DTFC)
2.1 Phương pháp điều khiển U/f không đổi
Bộ biến tần khi làm việc ở chế độ U/f không đổi thì điện áp cung cấp cho
động cơ điện là điện áp điều biến độ rộ
ng xung theo hình sine(PWM). Biên độ của
điện áp liên hệ với tần số qua công thức sau:
11001
*)( ffKUU += (2.1)
Trong đó:
U

0
gọi là điện áp nâng nhằm mục đích bù điện trở ở tần số thấp.
Hệ số K
0
và điện áp U
0
được tính toán tương ứng với tần số thấp nhất(f
min
) tới tần
số làm việc định mức của động cơ, thông thường tần số thấp là f
min
=5 Hz, có một
số hãng giới thiệu là 3Hz, tần số f
min
phụ thuộc vào việc cài đặt tham số điện trở
điện kháng, dòng điện không tải v.v, Nhưng nói chung, các tham số của động cơ
sử dụng càng giống với tham số động cơ mẫu của nhà sản xuất biến tần(nghĩa là
giống với tham số mặc định của biến tần) thì tần số f
min
có thể cài đặt thấp(không
dưới 3Hz)

17

H2.1-Mô hình điều khiển U/f

H2.2-Đặc tính điều khiển và đặc tính cơ của động cơ khi điều khiển U/f
2.2 Phương pháp điều khiển vector
Như đã đề cập ở trên, khi tải yêu cầu khởi động và ổn định ở tần số thấp thì chế độ
điều khiển véctơ cần được sử dụng. Trước tiên, ta xét sơ đồ thay thế tương đương

ở chế
độ xác lập, ta có:
+Từ thông stato:
11111
RIUj
&&&
−=Ψ
ω
; (2.2)
Từ thông rôto:
22221
RIUsj
&&&
−=Ψ
ω
; (2.3)

18
Động cơ rôto lồng sóc U
2
= 0 do đó, ta có
2221
RIsj
&&
−=Ψ
ω
(2.4), thay vào công thức tính từ thông stato ta được:
12
2
1

1
'*
'
IL
L
L
nm
m
&
&&
+Ψ=Ψ
;
TM
jIII +=
1
&
; (2.5)

H2.5- Đặc tính cơ khi của động cơ ở chế độ điều khiển véc tơ

H2.6-Mô hình điều khiển véc tơ từ thông ở rôto
Ta có thể tính được mômen trên trục động cơ theo công thức sau:

19
2
1
2'
21
2
2

1
1
'
3
**
'
*3
R
sp
II
L
L
pM
TM
m
đt
ω
Ψ
==
; (2.6)
Như vậy, khi điều khiển nếu ta giữ cho từ thông rôto không đổi cho trước
(ψ’
2
= const) thì ta có thể ổn định được tốc độ (từ khâu phản hồi encoder hoặc
resolver) bằng cách bù lại tần số đang bị trượt (một lượng là sω
1
) theo mối tương
quan ở trên.
Với phương pháp điều khiển từ thông như mô tả ở trên, hiện nay các nhà sản xuất
biến tần cho ra đời hai dòng điều khiển véctơ là loại có cảm biến tốc độ (có

encoder) và loại không có encoder hay còn gọi là điều khiển véctơ không cảm
biến(sensorlessvector) là kiểu điều khiển tốc độ vòng hở, ở đây tốc độ trên trục củ
a
động cơ được ước lượng (speed calculator) dựa vào phản hồi dòng điện và điện áp

20
3. Tính toán sơ bộ động cơ điện không đồng bộ
3.1 Số liệu đầu vào thiết kế
Từ các yêu cầu trên, việc tính toán thiết kế động cơ điện biến tần cũng tương tự
như trình tự thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc thông thường. Tuy
nhiên, để động cơ điện có tham số phù hợp với đặc tính đi
ều chỉnh của biến tần, ta
phải thiết kế động cơ điện có các tham số tương thích với chế độ điều khiển của
biến tần
Số liệu đầu vào thiết kế gồm các thông số sau:
- Công suất định mức của động cơ P
2
= 10 (kW)
- Điện áp định mức U
đm
= 380 (V)
- Dòng điện định mức I
đm
= 21 (A)
- Hiệu suất định mức η
đm
= 86%
- Hệ số công suất định mức Cosϕ
đm
= 0,85

- Tần số định mức f
1
= 50 (Hz)
- Kiểu rô to: Rô to lồng sóc
- Cấp bảo vệ động cơ: IP44
- Cấp cách điện: cấp F
- Điều kiện môi trường: T
mt
= 40
0
C
- Kiểu lắp đặt chân đế, chiều cao tâm trục H = 160 mm
3.2 Chọn tham số thiết kế
Thiết kế động cơ không đồng bộ làm việc với biến tần cần xem xét những yếu tố
như: chọn răng rãnh stato, rôto, thiết kế dây quấn stato, chọn góc nghiêng ở rôto để
giảm mômen ký sinh, v.v,
3.2.1 Xác định kích thước chủ yếu
Những kích thước chủ yếu của máy điện không đồng b
ộ là đường kính trong
stato D và chiều dài lõi sắt L
Fe
. Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu này là
để chế tạo ra máy hợp lý về mặt kinh tế và tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ
thuật. Tính kinh tế của máy không chỉ là vật liệu sử dụng để chế tạo ra máy mà còn

21
xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy, như tính thông dụng của các khuôn dập,
mẫu đúc, các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hóa…
a, Xác định đường kính ngoài D
n

, đường kính trong D và chiều dài lõi thép L
Fe
:
Tính đường kính ngoài D
n
theo chiều cao tâm trục:
Với 56 mm ≤ H ≤ 100 mm chọn: D
nmax
≈ 2H – 20(mm)
Với 112 mm ≤ H ≤ 160 mm chọn: D
nmax
≈ 2H – 30(mm)
Với 180mm ≤ H ≤ 315 mm chọn: D
nmax
≈ 2H – 50(mm)
Với 355mm ≤ H ≤ 450 mm chọn: D
nmax
≈ 2H – 100(mm)
Tính D theo D
n
:
n
D
D
D
k =
(2.7)

Hệ số k
D

tra theo bảng 2.1:
2p 2 4 6 8
≥10
k
D

0,52 ÷ 0,57 0,64 ÷ 0,68 0,7 ÷ 0,72 0,72 ÷ 0,74 0,79 ÷ 0,81
Động cơ 10kW-1500 r/min chạy biến tần, hãng Bauer của Đan mạch chọn chiều
cao tâm trục H = 160 mm(D160M4), trong dãy động cơ điện truyền thống của
VIHEM thường chọn D/D
n
= 152/245 mm, nhưng đối với động cơ biến tần, để
giảm mômen quán tính, tăng đáp ứng về mômen và tốc độ, ta chọn D
n
=200 mm.
Tính D theo k
D
ở bảng trên với 2p = 4 ta có k
D
= 0,64 ÷ 0,68 -> D = 128 ÷ 136
mm, nhưng để giảm mômen quán tính ta chọn D nhỏ hơn giải trên, chọn
D = 122mm; chiều dài lõi thép L
Fe
=225mm
Tính thể tích máy thông qua công thức tính công suất tính toán của máy:

đmđm
đmE
Pk
P

ϕη
cos*
*
'=
(2.8)
Chọn hệ số K
E
= 0,98-0,005p
Chiều dài lõi thép tính theo thể tích máy:

1
2
1
'7
******
*10*1,6
)(
nDBAkk
P
mmL
dqs
Fe
δδ
α
=
(2.9)
Trong đó :
P’(kVA) : là công suất tính toán của máy
η
đm

, cosϕ
đm
: hiệu suất và hệ số công suất định mức

22
α
δ
: là hệ số cung cực từ, thường chọn bằng 0,67
k
s
: là hệ số sóng sin thường lấy bằng 1,1
k
dq1
: là hệ số dây quấn tính
D(cm) : là đường kính trong lá tôn stato
n
1
(r/min): là tốc độ đồng bộ
A(A/cm): Tải đường của động cơ điện
B
δ
(T): Mật độ từ thông trong khe hở không khí
Số đôi cực từ có quan hệ ràng buộc với tốc độ đồng bộ n
1
và tần số lưới f
1
p
1
=
1

1
*60
n
f

=

1500
50*60
= 4 ; (2.10)
Việc chọn A và B
δ
ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu D và L
Fe
.
Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu thì nên chọn A và B
δ
lớn, nhưng nếu A và B
δ
quá
lớn thì tổn hao đồng và sắt tăng lên, làm máy quá nóng, ảnh hưởng đến tuổi thọ sử
dụng máy.
Do đó khi chọn A và B
δ
cần xét đến vật liệu sử dụng. Nếu dùng vật liệu sắt
từ tốt (có tổn hao ít và độ từ thẩm cao) thì có thể chọn B
δ
lớn. Dùng dây đồng có
cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn.
Tuy nhiên, tỷ số giữa A và B

δ
cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và khởi
động của động cơ không đồng bộ, vì A đặc trưng cho mạch điện, B
δ
đặc trưng cho
mạch từ. Khi chọn B
δ
lớn, A nhỏ sẽ nâng được mô men khởi động và mô men
max, nhưng cũng làm dòng điện khởi động tăng cao, do vậy phải chọn tham số B
δ

và A hợp lý kết hợp với các yếu tố thiết kế khác nữa, để vừa nâng mô men khởi
động vừa không tăng dòng khởi động quá lớn(theo tiêu chí đặt ra ở đây là i
k
≤ 7,0
lần)
Bên cạnh đó việc chọn A và B
δ
còn phải xét đến hệ số cosφ của máy, hệ số công
suất chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa dòng điện từ hóa với dòng điện định mức
A
B
k
kk
I
I
dqđm
δ
δµµ
τ

δ
**
*
*78,1
1
= (2.11)

23
Từ công thức trên ta thấy khi tỷ số
A
B
δ
tăng, nghĩa là B
δ
tăng hay A giảm thì
đm
I
I
µ
tăng dẫn đến cosϕ của máy giảm
Như đã biết, mô men khởi động M
k
và mô men cực đại M
max
tỷ lệ nghịch
với điện kháng ngắn mạch X
n
, X
n
càng nhỏ thì M

k
và M
max
càng lớn.
Theo sách “Thiết kế máy điện” thì chọn A/B
δ
theo đường cong A/B
δ
ở trang 219,
nhưng nói chung các số liệu này ngày nay không còn phù hợp với xu thế tiết kiệm
nguyên liệu và tiết kiệm năng lượng, ta nên tham khảo các tài liệu thiết kế của các
nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Đức, Italia, v.v,
Theo [3] đưa ra phạm vi chọn B
δ
tùy thuộc vào số đôi cực từ như sau:
B
δ
= (0,5÷ 0,7)T cho 2p = 2
B
δ
= (0,65÷ 0,75)T cho 2p = 4
B
δ
= (0,7÷ 0,8)T cho 2p = 6
B
δ
= (0,75÷ 0,85)T cho 2p = 8
Trong đó giá trị lớn thường chọn ở công suất lớn, tải đường với động cơ 10kW,
thường chọn 250A/cm ≤ A ≤ 300 A/cm. Sau nhiều lần tính toán và hiệu chỉnh ta
chọn được L

Fe
= 225 mm, D
n
= 200 mm, D = 122 mm, A = 285 A/cm ; B
δ
=
0,8016T
b, Chọn khe hở không khí theo số đôi cực [2]
Khi chọn khe hở không khí δ ta cố gắng lấy nhỏ để dòng điện không tải nhỏ
và cosϕ cao, nhưng khe hở quá nhỏ làm cho việc chế tạo và lắp ráp thêm khó khăn,
rô to dễ sát cốt, khe hở nhỏ còn làm tăng thêm tổn hao phụ và điện kháng tản tạp
của máy cũng tăng.
Theo kết cấu thì khe hở phụ thuộc vào kích thước đườ
ng kính ngoài rôto,
khoảng cách giữa hai ổ bi và đường kính trục. Nguyên nhân là đường kính D ảnh
hưởng đến dung sai lắp ghép của vỏ, nắp, lõi sắt, từ đó quyết định độ lệch tâm cho