Điều khiển vectơ tựa từ thông stato động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-------

-------

LÊ THẾ TÂM

ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ THÔNG STATO ðỘNG CƠ
KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật ðiện
Mã số: 60.52.02.02

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan bản luận văn tốt nghiệp: “ðiều khiển véctơ tựa từ
thông stato ñộng cơ không ñồng bộ ba pha” do tôi tự thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn. ðể hoàn thành luận
văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu ñược ghi trong danh mục tài liệu tham
khảo và không sao chép sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự
sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2013
Học viên thực hiện

Lê Thế Tâm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

i


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn người ñã
trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận
văn của mình.
Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Tự ñộng hoá,
khoa Cơ ðiện, các thầy giáo, cô giáo Viện ñào tạo sau ñại học trường ðHNN
Hà Nội ñã hướng dẫn và giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp ñã tạo ñiều kiện
trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn.
Hà nội, ngày….tháng….năm 2013
Tác giả

Lê Thế Tâm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

ii

MỤC LỤC
Lời cam ñoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

vi

Danh mục hình

ix

MỞ ðẦU

1

1

ðặt vấn ñề

1

2

Phương pháp nghiên cứu

2

3

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

2

4

Phạm vi và nội dung nghiên cứu

2

CHƯƠNG I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ
TRONG TỌA ðỘ KHÔNG GIAN KHÁC NHAU

3

1.1

Mô tả chung về ñộng cơ không ñồng bộ.

3

1.1.1

Khái niệm chung

3

1.1.2

Cấu tạo ñộng cơ không ñồng bộ

3

1.1.3

Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều ba pha

5

1.1.4

Ứng dụng, ưu và nhược ñiểm của ñộng cơ không ñồng bộ xoay
chiều ba pha

5

1.1.5

Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

6

1.1.6

ðại lượng véctơ không gian

12

1.2

Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao

16

1.2.1

Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với stato (α, β, 0)

16

1.2.2

Mô hình trong hệ tọa ñộ quay ñồng bộ (d, q, 0)

19

1.2.3

Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với roto (D, Q, 0)

23

1.3

ðiều khiển véctơ tựa từ thông roto ñộng cơ không ñồng bộ, nghịch
lưu nguồn áp (Foc)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

26

iii


1.3.1

Nguyên lý ñiều khiển

26

1.3.2

Mô hình tính toán ước lượng các ñại lượng phản hồi

30

1.3.3

Hiệu chỉnh tốc ñộ trượt

33

CHƯƠNG II: BIẾN TẦN NGUỒN ÁP VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TẮC
ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ

35

2.1

Biến tần bán dẫn

35

2.1.1

Cấu trúc biến tần bán dẫn

35

2.1.2

Phương pháp PWM thông thường

37

2.1.3

Phương pháp PWM ñiều chế véctơ không gian

40

2.2

Chiến lược ñiều khiển tần số ñộng cơ không ñồng bộ

44

2.2.1

Giới thiệu chung

44

2.2.2

Nguyên lý ñiều khiển ñiện áp tần số U/f

47

2.2.3

ðiều khiển vectơ

51

CHƯƠNG III: THIẾT LẬP HỆ ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ
THÔNG STATO ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA
3.1

54

Mô hình gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d,
q tựa từ thông roto

54

3.2

Tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù tách kênh

56

3.3

Thiết kế ñiều khiển từ thông

59

3.4

Biểu thức xác ñịnh momen ñiện từ

60

3.5

ðiều khiển véctơ tựa từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

61

3.6

ðiều khiển trực tiếp vectơ mà không có tín hiệu tốc ñộ

66

3.6.1

Lập trình phân tầng bộ lọc từ thông thấp ước lượng từ thông stato

66

3.6.2

ðiều khiển khởi ñộng truyền ñộng với các phương trình mô hình
dòng ñiện

70

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG VÀ MÔ PHỎNG.

76

4.1

76

Tựa từ thông stator

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iv


4.2

Thiết kế mạch vòng dòng ñiện trục ox

80

4.3

Thiết kế mạch vòng ñiều khiển từ thông trục ox

82

4.4

Thiết kế mạch vòng dòng ñiện theo trục oy

84

4.5

Mô phỏng và ñánh giá chất lượng

85

4.5.1

Tính toán các tham số ñộng cơ

85

4.5.2

Các bước tiến hành mô phỏng

87

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ

95

TÀI LIỆU THAM KHẢO

97

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a

Toán tử 1200.

iri (t )

Dòng ñiện rotor trên pha i.

ir

Dòng ñiện pha rotor biểu diễn trên hệ tọa ñộ rotor.

'

ir

Dòng ñiện pha rotor biểu diễn trên hệ tọa ñộ stator.

isi (t )

Dòng ñiện stator trên pha i.

is

Dòng ñiện pha rotor biểu diễn trên hệ tọa ñộ stator.

'

is

Dòng ñiện pha rotor biểu diễn trên hệ tọa ñộ rotor.

Lm

Cảm kháng từ hoá của ba pha.

Lr

Tổng cảm kháng của ba pha rotor.

Lr

Tự cảm của ba pha rotor.

Lr1

Cảm kháng dò rotor.

Lrm

Cảm kháng từ hoá rotor.

Ls

Tổng cảm kháng của 3 pha stator.

Ls

Tự cảm của stator.

Ls1

Cảm kháng dò stator.

Lsm

Cảm kháng từ hoá stator.

Mr

Hỗ cảm giữa các cuộn rotor.

Ms

Hỗ cảm giữa các cuộn stator.

M sr

Giá trị lớn nhất của hỗ cảm giữa các cuộn rotor và stator.

p

Toán tử vi phân.

P

Số ñôi cực.

Rr

ðiện trở rotor.

Rs

ðiện trở stator.

s

Hệ số trượt.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vi


1

s

Toán tử tích phân.

Te

Hằng số thời gian của mômen ñiện từ.

Tpc

Mômen chuẩn hoá và tính bằng phần trăm.

Ts = Tz

Hằng số thời gian trích mẫu.

uri (t )

ðiện áp rotor trên pha i.

ur

ðiện áp rotor trên hệ tọa ñộ rotor.

'

ur

ðiện áp rotor trên hệ tọa ñộ stator.

usi (t )

ðiện áp stator trên pha i.

us

ðiện áp stator trên hệ tọa ñộ stator.

'

us

ðiện áp stator trên hệ tọa ñộ rotor.

wm

Tốc ñộ cơ học.

w pc

Tốc ñộ chuẩn hoá và tính bằng phần trăm.

wr

Tốc ñộ rotor.

ws

Tốc ñộ stator.

ρr

Góc pha giữa từ thông rotor so với trục ngang của hệ tọa ñộ
stator.

ρs

Góc pha giữa từ thông stator so với trục ngang của hệ tọa ñộ
stator.

θm

Góc lệch giữa rotor và stator.

θr

Góc rotor.

θs

Góc stator.

ψ ri (t )

Từ thông dò trên cuộn rotor i.

ψr

Từ thông dò rotor trên trục tọa ñộ gắn với rotor.

'

ψr

Từ thông dò rotor trên trục tọa ñộ gắn với stator.

ψ si (t )

Từ thông dò trên cuộn stator i.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vii


ψs
'

ψs

Từ thông dò stator trên trục tọa ñộ gắn với stator.
Từ thông dò stator trên trục tọa ñộ gắn với rotor.

CÁC CHỈ SỐ.

α /β

Các thành phần hoành và tung trên hệ tọa ñộ gắn với rotor.

d /q

Các thành phần hoành và tung rotor trên hệ tọa ñộ gắn với stator.

D/Q

Các thành phần hoành và tung stator trên hệ tọa ñộ gắn với rotor.

g

Hệ trục toạ ñộ bất kỳ.

m

Từ hoá.

r

Rotor.

ra, rb, rc

Các pha của rotor.

Ref

Tín hiệu ñặt.

s

Stator.

sA, sB, sC

Các pha của stator.

x/ y

Các thành phần tung và hoành trên hệ tọa ñộ bất kỳ.

KÝ HIỆU TOÁN HỌC.
x

Nhân vector.

*

Nhân số ảo.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

viii


DANH MỤC HÌNH
STT

Tên hình

Trang
d
θm
dt

1.1

Sơ ñồ dây quấn tập trung của ñộng cơ không ñồng bộ ω =

1.2

Sơ ñồ 3 pha quy ñổi về stato của ñộng cơ không ñồng bộ.

1.3

Mô hình giải thích cách tính sức ñiện ñộng roto.

1.4

Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ cực (a) và

7

9
10

các ñại lượng véctơ (b)

12

1.5

Phân bố mật ñộ dòng ñiện khi chỉ có pha a có dòng

13

1.6

Phân bố mật ñộ dòng ñiện tổng từ các dòng ñiện ias(t), ibs(t), ics(t)

13

1.7

Phân bố mật ñộ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình.1.6

14

1.8

Biểu diễn véctơ trên hệ trục α, β.

16

1.9

Sơ ñồ thay thế của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục α, β

17

1.10

Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ α.

19

1.11

Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q

20

1.12

Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục tọa ñộ d, q

21

1.13

Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d, q

22

1.14

Biểu diễn véctơ không gian tổng trục gắn với roto (D, Q)

23

1.15

Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ gắn với roto

24

1.16

Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ gắn
với roto

25

1.17

ðồ thị véctơ cho trường hợp hệ trục d, q và véctơ từ thông rôto

26

1.18

Sự tương ñồng giữa ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ tựa
từ thông roto (b) và ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập (a)

28

1.19

Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển véctơ tựa từ thông roto

29

1.20

Mô hình dòng ñiện ước lượng tín hiệu

32

1.21

Ảnh hưởng của sự thay ñổi ñiện trở roto ñến ñộ chính xác của mô
hình ñiều khiển

33

2.1

Sơ ñồ khối biến tần gián tiếp

35

2.2

Sơ ñồ khối các bộ biến tần

37

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

ix


2.3

Sơ ñồ nghịch lưu ba pha

39

2.4

ðiều chế PWM kinh ñiển;

39

2.5

Cấu trúc nghịch lưu PWM 3 pha

41

2.6

Các vectơ ñiện áp

41

2.7

Thực hiện vectơ diện áp Vref trong sector 1.

42

2.8

Biểu ñồ xung của các vectơ ñiện áp thuộc góc phần từ thứ nhất S1

44

2.9

Phân loại các phương pháp ñiều khiển IM (NFO-natural field
orientation)

45

2.10

Các dạng ñặc tính

49

2.11

Các dạng ñặc tính cơ ñộng cơ không ñồng bộ khi ta thay ñổi tần
số theo quy luật ñiều chỉnh U và f

50

2.12

Sự tương tự giữa ñiều khiển ñộng cơ một chiều và ñiều khiển vectơ

52

2.13

ðiều khiển ñộc lập hai thành phần dòng ñiện: mômen và kích từ

53

3.1

Dòng ñiện ñộng cơ trên trục d, q

54

3.2.

Sơ ñồ thay thế gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa
ñộ d,q

3.3

Mô hình gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d,
q tựa từ thông roto

3.4

56

Cấu trúc hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và hai tách kênh bằng
dòng ñiện

3.5

55

57

ðiều khiển dòng riêng rẽ có bù sức ñiện ñộng esd và esq, R11 và
R12 ñược lấy theo (3.3)

58

3.6

Mô hình mạch vòng ñiều khiển từ thông

59

3.7

Sơ ñồ khố hàm tuyến hệ Foc-1M

60

3.8

Véctơ không gian dòng từ hóa stato và véctơ không gian dòng roto

61

3.9

Biểu ñồ ñiều khiển véctơ tựa theo từ thông stator

63

3.10

Tách tín hiệu truyền thẳng trong ñiều khiển tựa theo vector từ
thông stato

64

3.11

Truyền ñộng ñiều khiển véctơ tựa theo từ thông stato

66

3.12

ðại diện của các bộ lọc phân tầng ñể tích phân

68

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

x


3.13

Tổng hợp vectơ từ thông stator dựa trên 3 tầng PCLPF

3.14

Hằng số thời gian (τ) và hệ số khuếch ñại (G) là hàm của tần số
71

cho PCLPF (n=3)(τh=0.16ms)
3.15

Sơ ñồ khối ñể tìm

và

cho khởi ñộng mà không cần cảm

biến tốc ñộ.
3.16

69

72

Sơ ñồ khối ñiều khiển tựa theo vector từ thông stator kết hợp ước
lượng từ thông bằng PCLPF và phương trình khởi ñộng mà
không cần cảm biến tốc ñộ.

74

4.1

Biểu diễn vectơ tựa từ thông stato

76

4.2

Sơ ñồ ñiều khiển từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

79

4.3

Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

80

4.4

Sơ ñồ khối mạch vòng ñiều khiển dòng ñiện trục ox

81

4.5

Bộ ñiều khiển từ thông

82

4.6

Sơ ñồ khối ñể thiết kế bộ ñiều khiển từ thông

83

4.7

Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện

85

4.8

Sơ ñồ mô phỏng dòng ñiện stato

88

4.9

Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển dòng ñiện

88

4.10

Dòng ñiện Isxñ

89

4.11

Dòng ñiện Isx

89

4.12

Kiểm nghiệm bộ ñiều chỉnh Risx

90

4.13

Dòng ñiện ñiều chỉnh Risx

90

4.14

Bộ ñiều chỉnh dòng Risy

91

4.15

Dòng ñiện ñiều chỉnh Risy

91

4.16

Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ không ñồng bộ

92

4.17

Dòng ñiện Rix ñộng cơ lúc không tải

92

4.18

Dòng ñiện Riy ñộng cơ lúc không tải

93

4.19

Dòng ñiện Isx ñộng cơ lúc có tải

93

4.20

Dòng ñiện Isy ñộng cơ lúc có tải

93

4.21

Kết quả khi thay ñổi thông số ñộng cơ và tải vào mô hình

92

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

xi


MỞ ðẦU
1. ðặt vấn ñề
ðộng cơ không ñồng bộ là loại ñộng cơ ñược sử dụng rộng rãi nhất
trong công nghiệp. Ưu ñiểm lớn nhất của ñộng cơ này là không có bộ chuyển
mạch cơ khí, kết cấu chắc chắn và có thể sử dụng trực tiếp nguồn ñiện xoay
chiều ba pha có sẵn.
Tuy nhiên tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ khi nối với nguồn ñiện
xoay chiều ba pha không thể ñiều chỉnh ñược liên tục nếu thiếu các thiết bị
phụ trợ. Mặc dầu vậy trong mấy thập kỷ gần ñây, vấn ñề ñiều chỉnh một cách

hiệu quả tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ ñã ñược nghiên cứu và giải quyết
tương ñối triệt ñể, có ñược ñiều ñó chính là nhờ sự tiến bộ nhanh chóng của
công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và nhờ sự tiến bộ của công nghệ (phần
mềm và phần cứng) chế tạo vi xử lý (MP) và xử lý tín hiệu số (DSP).
Trong khi các bộ biến ñiốt ñiện tử công suất có ñược các ñặc tính ñiều
khiển tuyệt vời thì ñộng cơ không ñồng bộ lại là một thiết bị tuy cấu tạo ñơn
giản nhưng các ñặc tính làm việc lại phức tạp do ñó việc xây dựng mô hình
của ñộng cơ không ñồng bộ trong chế ñộ quá ñộ là cần thiết.
Bộ biến ñổi ñiện tử công suất (ðTCS) chủ yếu trong truyền ñộng ñiện
xoay chiều là bộ nghịch lưu (nghịch lưu ñiện áp và nghịch lưu dòng ñiện)
trong ñó sử dụng các kỹ thuật ñiều chế PWM hoặc SVM, hoặc ñiều chỉnh
bang bang và thường có tần số ñiều chế rất cao so với tần số của sóng hài cơ
bản của ñiện áp và dòng ñiện ñầu ra.
Các phương pháp ñiều khiển vectơ cổ ñiển nói chung chưa ñảm bảo
bản chất lượng ñiều khiển nhất là trong quá trình khởi ñộng và thay ñổi tốc ñộ
thì cả mômen và từ thông ñều ñáp ứng chậm. Sai số lớn hay bé của từ thông
và mômen không ñược phân biệt.
Vì vậy ñể giải quyết nhược ñiểm của các phương pháp trên nhằm nâng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

1


cao chất lượng truyền ñộng ñiện thì cần phải nghiên cứu ñiều khiển véctơ tựa
từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán, xây dựng mô hình toán
cho hệ truyền ñộng, tổng hợp mạch vòng dòng ñiện.
- Dùng mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Về khoa học: Luận văn góp phần chuẩn hóa và hoàn thiện phương
pháp ñiều khiển véctơ tựa từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ.
Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:
- Giải quyết một phần những khó khăn vấn ñề ñiều chỉnh một cách hiệu
quả tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ.
- Thiết kế ñược mạch vòng ñiều khiển vectơ tựa từ thông stato ñộng cơ
không ñồng bộ và mô phỏng kiểm chứng nâng cao chất lượng hệ truyền ñộng
ñiện.
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:
- Nghiên cứu về ñộng cơ không ñồng bộ, mô hình ñộng cơ không ñồng
bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao và ñiều khiển véctơ tựa từ thông stato ñộng
cơ không ñồng bộ.
- Nghiên cứu các thông số thiết kế ñiều khiển bộ dòng ñiện trong hệ
thống ñiều khiển vectơ tựa từ thông stato của ñộng cơ không ñồng bộ, thiết kế
ñiều khiển từ thông. Mô hình tính toán từ thông và tổng hợp mạch vòng ñiều
chỉnh.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

2


CHƯƠNG I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG
BỘ TRONG TỌA ðỘ KHÔNG GIAN KHÁC NHAU
1.1. Mô tả chung về ñộng cơ không ñồng bộ.
1.1.1. Khái niệm chung
ðộng cơ không ñồng bộ là loại ñộng cơ ñược sử dụng rộng rãi nhất
trong công nghiệp. Ưu ñiểm lớn nhất của ñộng cơ này là không có bộ chuyển

mạch cơ khí, kết cấu chắc chắn và có thể sử dụng trực tiếp nguồn ñiện xoay
chiều ba pha có sẵn. Tuy nhiên tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ khi nối vào
lưới xoay chiều ba pha không thể ñiều chỉnh ñược liên tục nếu thiếu các thiết
bị phụ trợ. Mặc dầu vậy trong mấy thập kỷ gần ñây vấn ñề ñiều chỉnh một
cách hiệu quả tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ ñã ñược nghiên cứu giải
quyết một cách triệt ñể, có ñược ñiều này chính là nhờ sự tiến bộ nhanh chóng
của công nghệ bán dẫn công suất và nhờ sự tiến bộ của công nghệ (Phần mềm
và phần cứng) chế tạo vi xử lý (MP) và xử lý tín hiệu số (DSP).
Trong khi các bộ biến ñổi ñiện tử công suất có ñược các ñặc tính ñiều
khiển tuyệt vời thì ñộng cơ không ñồng bộ lại là một thiết bị tuy cấu tạo ñơn
giản nhưng các ñặc tính làm việc lại phức tạp, do ñó việc xây dựng mô hình
của ñộng cơ không ñồng bộ trong chế ñộ quá ñộ là cần thiết.
1.1.2. Cấu tạo ñộng cơ không ñồng bộ
ðộng cơ không ñồng 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. ðối với máy công suất lớn (>1000kW) thường
dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố ñịnh và không dùng
ñể dẫn từ.
b. Lõi sắt
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

3


ðược làm bằng các lá thép kỹ thuật ñiện 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 ñiện xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật ñiện ñều có sơn
cách ñiện. Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh ñể ñặt dây quấn

c. Dây quấn
Dây quấn ñược ñặt vào các rãnh lõi sắt và cách ñiện với lõi sắt. Dây
quấn stator gồm 3 cuộn dây ñặt lệch nhau 1200.
2. Rotor
a. Trục
Làm bằng lõi thép ñể ñỡ lõi sắt rotor.
b. Lõi sắt
Gồm các lá thép kỹ thuật ñiện giống như ở stator. Lõi sắt ñược ép trực
tiếp lên trục. Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh ñể ñặt 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 ñấu sao, 3 ñầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng ñồng ñặt cố
ñịnh ở 1 ñầu trục và qua chổi than có thể ñưa ñiện ra ngoài. Có thể thông qua
chổi than ñưa ñiện trở phụ hay suất ñiện ñộng phụ vào mạch rotor ñể cải thiện
mở máy, ñiều chỉnh tốc ñộ, hệ số công suất. Bình thường làm việc dây quấn
rotor nối ngắn mạch.
- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sắt ñược ñặt 1 thanh dẫn bằng ñồng
hoặc bằng nhôm và ñược nối tắt ở 2 ñầu bằng 2 vòng ngắn mạch ñồng hoặc
nhôm thành 1 cái lồng người ta gọi ñó là lồng sóc. Dây quấn rotor lồng sóc
không cần cách ñiện với lõi sắt.
3. Khe hở
Khe hở trong ñộng cơ không ñồng bộ rất nhỏ (0,2mm - 1mm).

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

4


1.1.3 Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều ba pha

ðộng cơ không ñồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng ñiện từ.
Khi ñặt ñiện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha ñặt ñối xứng trong lõi thép
stator, khi ñó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần
bậc 1 của từ truờng này quay với tốc ñộ góc là:
ϖ1 =

2Πf
p

(1.1)

Trong ñó: f là tần số dòng ñiện cáp cho stator
p là số ñôi cực của dây quấn stator.
ðồng thời từ trường stator này làm cảm ứng ra các dòng ñiện vòng trong
các thanh dẫn rotor (ñối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây rotor (ñối
với loại rotor dây quấn). Các dòng ñiện rotor này ñặt trong từ trường stator
quay nên sinh ra lực ñiện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra mômen
quay rotor, rotor quay cùng hướng với từ trường stator quay.
Lúc ñầu khi từ trường stator ñã sinh ra thì rotor tăng tốc nhanh ñể cố gắng
bắt kịp từ trường quay ñó, ñồng thời từ trường quay quét qua rotor càng giảm
nên sức ñiện ñộng cảm ứng phía rotor sẽ giảm dần và dòng ñiện rotor cũng
giảm theo.
Nếu tốc ñộ rotor bằng tốc ñộ từ trường quay thí lúc ñó sẽ không có lực ñiện
từ ñược sinh ra và rotor quay chậm lại. Do ñó tốc ñộ rotor không thể bằng tốc
ñộ ñồng bộ, tốc ñộ ñồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn ñiện cấp và số ñôi
cực của ñộng cơ, sai khác giữa 2 tốc ñộ gọi là tốc ñộ trượt.
1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược ñiểm của ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều
ba pha
Các ñộng cơ không ñồng bộ có ưu ñiểm là: Rẻ tiền, thiết kế và sản xuất
ñược dễ dàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyển mạch ñiện và chổi than,

là loại ñộng cơ ñược 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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

5


ñộng cơ không ñồng bộ có thể làm việc trong các môi trường khắc nghiệt dễ
cháy nổ vì chúng không có khả năng ñánh lửa. Do những ưu ñiểm này mà
ñộng cơ không ñồng bộ ñược ưu tiên quan tâm tìm hiểu như bộ biến ñổi năng
lượng ñiện cơ.
Các ñộng cơ không ñồng bộ cũng có nhiều nhược ñiểm, như tốc ñộ của
chúng phụ thuộc vào tần số và biên ñộ ñiện áp nguồn cấp mà trong thực tế
nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu các tốc ñộ có thể thay ñổi ñược. Chúng có
thể chạy ở tốc ñộ gần bằng hằng số ñối với tải và từ không tải tới ñầy tải.
ðiều này không giống như các ñộng cơ ñiện một chiều, các ñộng cơ không
ñồng bộ gặp khó khăn ñể ñiều khiển tách bạch các thành phần dòng ñiện sinh
mômen và từ thông. ðể nâng cao hiệu suất sử dụng thì hệ truyền ñộng ñộng
cơ không ñồng bộ thay ñổi tốc ñộ có khả năng cấp cho ñộng cơ ñiện ba pha có
tần số và biên ñộ có thể thay ñổi ñược, nên bộ ñiều khiển phức tạp hơn so với
loại một chiều.
1.1.5. Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ ba pha
ðộng cơ không ñồng bộ có các dây quấn ba pha ở roto và stato, các dây
quấn là ñối xứng và ñược bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở
không khí có dạng hình sin, gọi k là tên của dây quấn thì ta có phương trình
ñiện áp như sau:
U k = Rk ik +

dΨk

+ ek
dt

(1.1)

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn
Ψk = ∑ L jk ik

(1.2)

k

Momen ñiện trở của ñộng cơ có:
M=

1
δψ k
ik
∑
2 k δθm

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

6


j = as/bs/cs/ar/br/cr

ðặt

L: ðiện cảm chính của các dây quấn pha stato
Lσ: ðiện cảm tản
Ns: Số vòng dây một pha stato
Nr: Số vòng dây một pha roto
θm: Vị trí góc của dây quấn roto

Thì có thể viết ñược 6 phương trình ñiện áp cho ñộng cơ không ñồng
bộ như sau nếu mạch từ còn chưa bão hòa (ñiện cảm là hằng)

Ubs

i cs
ω

i ar Uar

θm

Uas

Ubr
i br

i cr

Re

i as

Ucr
i cs
Ucs
Hình 1.1. Sơ ñồ dây quấn tập trung của ñộng cơ không ñồng bộ ω =

d
θm
dt

1
1
2π 
2π 


pL1ibs − pL1ics + pLm cosθ m iar + pLm cosθ m +
 ibr + pLm cosθ m −
icr
2
2
3 
3 


1
1
2π 
2π 



U bs = − pL1ias (Rs + pLs )ibs − pL1ics + pLm cosθ m −
iar + pLm cosθ m ibr + pLm cosθ m −
icr
2
2
3 
3 



U as = (Rs + pLs )ias −

1
1
2π 
2π 


pL1ias − pL1ibs + (Rs + pLs )ics + pLm cosθ m −
iar + pLm cosθ m −
ibr + pLm cosθ m icr
2
2
3
3 



2π 

2π 
1
1


U ar = pLm cosθ mias + pLm cosθ m +
 ibs + pLm cosθ m −
ics + (Rr + pLr )iar − pL1ibr − pL1icr
3 
3 
2
2


2
2
1
1
π
π




U cs = pLm cosθ m −
ias + pLm cosθ m −
ibs + pLm cosθ m ics − pL1iar − pL1ibr + (Rs + pLs )icr
3 
3 
2

2



U cs = −

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

7


2π 
2π 
1
1


U bs = pLm cosθ m −
ias + pLm cosθ m ibs + pLm cosθ m −
ics − pL1iar (Rs + pLs )ibr − pL1icr
3 
3 
2
2



(1.3)
Trong ñó: L1 = L; Lm =

Nr
N2
L; L2 = r2 L; Ls = L1 + Lδs ; Lr = L2 + Lδs = δ s L1
Ns
Ns

Lσs = δσ .L2 ; δ là các hệ số tản từ

Lại ñặt
1
1
1
1


1 + δ s − 2 − 2 
1 + δ r − 2 − 2 




1
1
1
1


L s = L1 − 1 + δ s −
; L r = L2 − 1 + δ r −
 2

 2
2
2
 1



1
−
− 1 − 1 1 + δ r 
− 1+ δs 
 2

 2

2
2


2π 

cos  θ m +

 cos θ m
3 


 
2π 
R s = R s .I ; R r = R r .I ; L m (θ m ) = L m  cos  θ m −

cos θ m

3 
 
 
2π 
2π 

 cos  θ m −

 cos  θ m +
3 
3 

 

2π  

cos  θ m −
 
3  

2π  

cos  θ m +
 
3  


cos θ m




Và tất cả các ñại lượng ñiện từ ñược coi như là các vectơ có ba chiều
theo ba trục của dây quấn
U as (t )
ias (t )
ψ as (t )
ψ ar (t )






U s = U bs (t ) ; i s = ibs (t ) ; ψ s = ψ bs (t ) ; ψ r = ψ br (t )
U cs (t )
ics (t )
ψ cs (t )
ψ cr (t )

Có thể viết lại hệ phương trình (1.3) như sau:
U s = Rs is +

{

d
d
d


ψ s =  R s + L i s +
L m (θ m ).i r
dt
dt 
dt


U s = Rs is +

{

}

}

d
d T
d

ψs =
Lm (θ m ).is +  R r + L r .i r
dt
dt
dt



(1.4)

ψ r = Ls i s + Lm (θm )i r

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

8


ψ r = LTm (θ m )i s + Lr i r
Momen ñiện từ của ñộng cơ có thể ñược tính như sau:
T

M = p' i s .

{

d
L m (θ m ).i r
dθ m

}

(1.5)

Các phương trình mô tả ñộng cơ không ñồng bộ 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 θm trong khoảng [0, 2π]. Việc giải trực tiếp các phương trình này có
nhiều bất tiện, do ñó các mô tả khác cho ñộng cơ không ñồng bộ, một trong
những mô hình ñó là sơ ñồ 3 pha của ñộng cơ không ñồng bộ trong ñó ñã quy
ñổi các dây quấn roto về mạch stato.

Uas

Ubs

Rs

Lδ s

i as

ψas
Lδ s

Lm

ψbs

Lm

Rs
i bs

Ucs

Rs
i cs

Lδ s
ψcs

L'δ r

R's

R's

Lm

e'br
~

U'br
i'br

ψbr'

L'δ r

U'ar
i'ar

ψar'

L'δ r

e'ar
~

R's

e'cr

~

U'cr
i'cr

ψcr'

0'

0

Hình 1.2. Sơ ñồ 3 pha quy ñổi về stato của ñộng cơ không ñồng bộ.
Trong mô hình quy ñổi về stato, dây quấn roto ñược nối với dây quấn
stato do ñó nó ñứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn roto và stato cùng pha là
hằng và luôn là Lvm , các ñại lượng ñiện từ ở mạch roto ñược quy ñổi thông qua
hệ số ke = Ns/Nr và tham số ñược quy ñổi thông qua hệ số kr = ke2 , ma trận
tham số của mô hình là các ma trận hằng
'

'

'

Rs = Rs .I ; Rs = Rs' .I ; Ls = Lm + Lδs ; Lr = Lm + Lδr

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

9

1
1
1
1
1
1



− 
1 + δ r' −
− 
1 −
− 
1 + δ s − 2


2
2
2
2
2






1
1 '

1
1
1
1
'



1 + δ s − ; L r = Lm −
1 + δ r − ; L m = Lm −
1
−
L s = Lm −
 2
 2
 2
2
2
2
 1





1
1
1
−
− 1

− 1
− 1+ δs 
− 1 + δ r' 
−
1
 2

 2

 2

2
2
2

Trong hình 1.1 dây quấn roto quay với vận tốc ω, trong hình 1.2 dây
quấn roto ñứng yên, trong khi ñó vectơ từ thông ψ r vẫn quay cùng với tốc ñộ
từ trường quay: ωs = ω + ωsl.
Trong ñó ωsl là tần số góc của dòng ñiện (từ thông) roto nếu ñiểm mốc
quan sát nằm trên roto, do ñó trong dây quấn roto ở hình.1.2 sẽ xuất hiện các
sức ñiện ñộng quay kk trong phương trình (1.1). Tuy nhiên chỉ có thành phần
từ thông vuông góc với trụ dây quấn mới sinh ra sức ñiện ñộng quay xem
hình.1.3.

ψb'r'
ωs

ω

b'r

ψr''
ψa'r'

a'r
ψc'r'

c'r ω

Hình 1.3. Mô hình giải thích cách tính sức ñiện ñộng roto
Từ phân tích ở trên ta có thể tính ñược sức ñiện ñộng roto
e'ar =

e'br =

p'
ω (ψ 'br −ψ 'cr )
3

p'
ω(ψ 'cr −ψ 'ar )
3

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

(1.6)

10

e'cr =

p'
3

ω(ψ 'ar −ψ 'br )

e'r = (e'ra e'rb e'rc )

T

Căn cứ vào sơ ñồ quy ñổi và các ký hiệu quy ước, có thể dễ dàng viết
ra ñược hệ các phương trình cơ bản của ñộng cơ không ñồng bộ trong không
gian 3 pha quy ñổi về stato.






d
ψs
dt
dψ ' r
+ e' r
U s = R 'r i'r +
dt

U s = Rs is +

(

)

(1.7)

ψ s = L s i s + L m i 'r = Lδr .i s + L m i s + i 'r = ψ δs + ψ m 

(

)



ψ δ = L m i s + L 'r i 'r = L 'δr .i 's + L m i s + i 'r = ψ 'δs + ψ m 
M=

p'
3

[(ψ mb −ψ mc )i'ar −ψ mA (i'br −i'cr )]

(1.8)
(1.9)

Sơ ñồ hình.1.2 và các hệ phương trình kèm theo rất thuận tiện cho
người sử dụng các phần mềm mô phỏng ñể tính toán các ñại lượng ñiện từ của
ñộng cơ không ñồng bộ, trong trường hợp ñộng cơ roto lồng sóc thì U 'r = 0
Từ các phương trình (1.7) và (1.8) ta có thể dựng ñược mô hình tương
ñương của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ như trên hình.1.4, tất cả

các ñại lượng ñiện từ là các vectơ quy trong mặt phẳng cắt ngang trục ñộng
cơ, ñộng cơ có hai dây quấn, dây quấn stato và dây quấn roto quy ñổi về stato
với các tham số là các ma trận hằng.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

11


Lδs

Rs

L' δ r

Us

is

ψm
Lm

ψs

e'r
~

R' s

U'r

i'r

ψ r'

a)
Us

is

ωs
ψs
ψ r'
θ ψs

Re

b)
Hình 1.4. Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ cực (a) và các
ñại lượng véctơ (b)
1.1.6. ðại lượng véctơ không gian
Xét một ñộng cơ không ñồng bộ có ba pha dây quấn ñối xứng ở stato
trong ñó trục dây quấn pha a ñặt trùng với trục thực của mặt phẳng phức,
hình.1.5. ðể tạo ñược phân bố mật ñộ từ thông là hình sin, thì sức từ ñộng (ias,
Ns) phải là hàm hình sin dọc theo chu vi khe khở không khí. Các dây quấn
pha ñược coi rằng có phân bố với mật ñộ quấn dây cũng là hình sin. Như vậy
dòng ñiện mỗi pha tạo một sức từ ñộng (STð) có dạng hình sin dọc chu vi
khe hở không khí và biên ñộ của STð này tỉ lệ với ñộ lớn của dòng ñiện
tương ứng, cực tính của STð phụ thuộc vào cực tính dòng ñiện và bố trí theo
hướng là trục của dây quấn pha. Thí dụ ứng với dòng ñiện pha a dương isa tại

thời ñiểm θ1, tạo ra phân bố mật ñộ dòng ñiện tạo thành góc

π
2

so với trục dây

quấn pha a, và do ñó có giá trị cực ñại theo hướng trục ảo hình.1.5, stato này

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

12


ñập mạch theo chu kỳ dòng ñiện và dọc theo trục ảo
A sa (α)

α

ia
i sa
0

θ1

ωet

Re

Hình 1.5. Phân bố mật ñộ dòng ñiện khi chỉ có pha a có dòng

Sức từ ñộng toàn phần của stato ñược xây dựng bằng cách xếp chồng
các phân bố mật ñộ dòng ñiện của cả ba pha STð toàn phần này cũng có phân
bố hình sin thể hiện bằng hai hình bán nguyệt trên H.1.6. Biên ñộ của STð
toàn phần tỷ lệ với biên ñộ dòng ñiện pha và hướng của nó phụ thuộc và thời
gian θ, tức là phụ thuộc vào giá trị tức thời của ias(t), ibs(t) và ics(t). Do dòng
ñiện các pha thay ñổi theo thời gian nên STð toàn phần chính là một sóng
mật ñộ dòng ñiện quay.
bs

jIm
is

st®

i as

Re
as

cs

Hình 1.6. Phân bố mật ñộ dòng ñiện tổng từ các dòng ñiện ias(t), ibs(t), ics(t)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

13