Thiết kế bộ biến tần truyền thông ba pha điều khiển động cơ

Chương 1:

Tổng quan về động cơ điện không
đồng bộ ba pha
1.

Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba

cuộn dây đặt lệch nhau 120o trong không gian thì từ trường tổng
mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ
trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ
quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động
cảm ứng trong các thanh dẫn.
Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các
thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy
tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện
cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái
và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường
quay.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường
qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì


từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng
và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn.
Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn
roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và
do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường
nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường.
Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không

đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều.

Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no
(vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn (


ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt
s:

s

o  
o

(1-1)

Từ đó ta có:
ω = ωo(1 – s)

(1-2)

hay
n = no(1 – s)
(1-3)
Với:


2n
60

(1-4)

o 

2n o 2f1

60
p

f1

-

(1-5)

tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.


Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu
không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng
hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là
dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của
roto đối với từ trường quay:

f2 

p(n o  n )

 sf1
60

(1-6)
2.

Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
2.1. Phương trình đặc tính cơ
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý

tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây
quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa
không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện
áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ
như hình vẽ 1-2


Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó:
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng
điện roto đã quy đổi về stato (A)
Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato
và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω)
Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato
và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω)
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có
dạng:

M

3U12 R '2
2


R '2 
so  R1 
X


nm
s 



,[Nm]

(1-7)


Trong đó:
Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2


Chương 2:

Đường đặc tính cơ

Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương

trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục
tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ
điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại
điểm đó:
dM
0
ds

(1-8)


Giải phương trình ta có:

s th  

R '2
R X
2
1

(1-9)

2
nm

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

M th 

3U12
2o (R1  R  X )
2
1

2
nm

(1-10)

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ
) nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường
cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K.
Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng
khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn
này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này
động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 (
s = 1 ) và momen mở máy:


M mm 

3U12 R '2
o (R1  R '2 ) 2  X 2nm 

(1-11)

Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng
bộ:

o 

3.

2f1
p

(1-12)

Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ:
Khi thay đổi f1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi,

đồng thời X1, X2 cũng bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay
đổi của cả độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và momen tới
hạn theo tần số Mth = f(f1) là phức tạp nhưng vì ωo và X1 phụ thuộc
tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth rút ra:
1

s


th

f1



M
1
 th f12

(1-13)


Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth
đều tăng nhưng Mth tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng
trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho
động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm
tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm
điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:
u1
 const
f1

(1-14)

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm. Ở vùng f1 >
f1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên ở vùng
này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải
điều chỉnh điện áp theo quy luật U / f  const để giữ cho động cơ
không bị quá tải về công suất.


Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn
kết hợp với thay đổi điện áp

Chương 3:

Ứng dụng của động cơ không đồng
bộ
Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất
rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp,
trong giao thông vận tải và trong các thiết bị điện dân dụng… Ước
tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ
thống truyền động điện.
Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc
độ thay đổi được. Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền
động là loại hoạt động với tốc độ không đổi. Với các hệ thống này,
tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình
khởi động và hãm. Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh
được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu
cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn
và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử
ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu trong
quá trình tự động hóa.


Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn
giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng
làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ
cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được sử
dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ
vài chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không
đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán

thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công
nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay
máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động cơ
không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều
ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều
hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa
và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ
ngày càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là
so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều
gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là
các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về
mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều.


Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ
điện xoay chiều đòi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính
xác trong việc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản.
Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với
các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển
trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
5.

Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện

một chiều
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay
chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc
độ của nó như việc điều khiển động cơ một chiều. Vì vậy một ý
tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy

điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là
điều khiển vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ
thông và momen hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển
giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời
của áp (động cơ tiếp áp).
Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và
chính xác của cả từ thông và momen trong cả quá trình quá độ
cũng như quá trình xác lập của máy điện xoay chiều giống như


máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn
và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng
dụng của điều khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp.
Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động
luôn đòi hỏi sự cải tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động
khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm
khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ
chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy, những hệ
truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi
những hệ truyền động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển
vector. Lý do chính để sử dụng rộng rãi động cơ một chiều trước
kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như
cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và
bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng
lớn. Trong khi đó, các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển
vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều
khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được
sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều
này đòi hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn.

Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc
ứng dụng của lý thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong
điều khiển quá độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát
triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì giá thành của
động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).
Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát
triển đáng chú ý khác chính là phát triển mạng neural ( neural
network ) và logic mờ ( fuzzy logic ) vào điều khiển vector đang là
những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền động. Hai kỹ
thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ
truyền động xoay chiều trong một tương lai gần. Triển vọng ứng
dụng rộng rãi của hai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của
bộ vi xử lý bán dẫn ( Semiconductor Microprocessor ).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công
suất, một lý thuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với
điều khiển vector đã ra đời. Đó là lý thuyết điều khiển trực tiếp
momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC ) do giáo
sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật
DTC vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.



Chương 4:

CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG
BỘ BA PHA
1.

Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với

tải không đổi trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu
suất làm việc của hệ thống thấp, một phần đáng kể công suất đầu
vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết thời gian momen động
cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn.
Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong
roto, làm nóng động cơ, thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện.
Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến
các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là
dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công


suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải tăng lên
dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như
không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải.
Vì vậy khi tải tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động cơ làm việc
với hệ số công suất nhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không
hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất
nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với
động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo
chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính
xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất
lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các phương pháp
hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác

dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao
nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc
vào tốc độ như quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản
tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ lệ với lập phương của
tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải,
có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc
độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào. Mà điều


này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng
trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn
vị, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc
cao. Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi
thọ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các
thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số
cao bởi tính chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ
chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto. Động
cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ
làm giảm tuổi thọ của động cơ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều
khiển thông minh. Sự phát triển của các van công suất, công nghệ
sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử
lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn
đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất
lượng cao.
2.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ ba pha


Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch
roto Rf
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
- Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1
Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng
cách thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với
chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh
động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều
chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày
phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay
đổi tần số nguồn f1.
3.

Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi

tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số
nguồn và số đôi cực từ theo công thức:


o 

2f1
p

(2-1)

Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ
theo công thức:
  o (1  s)

(2-2)

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi
cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ.
Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi
được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1. Bằng cách thay đổi
tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng
khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết
quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu
điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và
động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết
công suất. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần
có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không
đổi. Từ thông này có thế là từ thông stato Φ1, từ thông của roto Φ2,
hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì momen động cơ tỉ lệ
với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông
không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các
luật điều khiển như sau:

- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const
- Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const
- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 =
f(Δω)


Chương 5:

Phương pháp điều chỉnh
U/f = const

Sdd của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo
biều thức:
  I Z
 f U
E 1  K
1 1
1
1 1

(2-3)

Từ (2-3) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1,
do đó:

1  K

U1
f1

(2-4)

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không
đổi. Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không
đổi và bằng tỷ số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng,
dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1
giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn
toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:


3U12 R '2 / s
M
R'
0 [(R 1  2 ) 2  (X1  X '2 )2 ]
s

(2-5)

Và momen tới hạn:

M th 

3U12
20 (R 1  R 12  (X1  X '2 ))

(2-6)

Khi hoạt động ở định mức:

M dm

2
3U1dm
R '2 / s

R'
 0dm [(R 1  2 ) 2  (X1dm  X '2dm ) 2 ]
s

M thdm 

2
3U1dm

20dm (R 1  R12  (X1dm  X '2dm ) 2 )

(2-7)

(2-8)

Ta có công thức sau:
a

f1
f1dm

(2-9)

Với f1 – là tần số làm việc của động cơ, f1dm – là tần số định
mức. Theo luật U/f= const :