Nghiên cứu và khảo sát hệ thống cân bằng định lượng của nhà máy xi măng Lưu Xá

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 1
Lời nói đầu
ộng cơ không đồng bộ có nhiều u điểm so với động cơ một
chiều : hệ số công suất, trọng lợng cao vận hành tin cậy, giá
thành chế tạo và chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với
đa thông thông số,nên điều khiển động cơ không đồng bộ là khó khăn.
Những năm gần dây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn
công suất lớn.Vi mạch điện tử và lý thuyết điều khiển, nhiều phơng pháp
điều khiển hiệu quả đã đợc đề suất cho điều khiển động cơ không đồng bộ.
Chính vì vậy động cơ không đồng bộ đã đợc sử dụng rộng rãi trong hệ
thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần
động cơ một chiều, ví dụ nh ở các thiết bị của dây chuyền sản xuất xi
măng...
Điều khiển điện áp nguồn cumg cấp cho động cơ là môt phơng pháp
đơn giản và kinh tế, nhng chất lợng điều chỉnh tĩnh và động không cao.
Phơng pháp này thích hợp cho cac phụ tải là quạt gió, máy bơm .
Phơng pháp điều khiển hiệu quả là thay đổi tần số điện áp nguồn
cung cấp cho động cơ. Do tốc độ động cơ xấp xỉ bằng tốc độ đồng bộ, nên
động cơ làm việc với độ trơt và tổn hao công suất trợt trong mạch rotor
nhỏ. Tuy nhiên phơng pháp này phức tạp và đắt tiền. Trong hệ thống

chuyền động điện điều khiển tần số phơng pháp điều khiển theo từ thông
có thể tạo cho động cơ đặc tính tĩnh và động tốt . Với phơng pháp điều
khiển gián tiếp , các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện / tần
số trợt đã đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
ở hệ thống điều khiển điện áp tần số, sức điện động khe hở động cơ
đợc điều chỉnh tỷ lệ với tần số. Động cơ có khả năng sinh mômen nh
nhau ở mọi tần số dới định mức. Có khả năng điều khiển hai vùng, vùng
dới tốc độ cơ bản điều chỉnh từ thông không đổi, điều khiển giữ tỉ số sức
điện động khe hở tần số là hằng số, vùng trên tốc độ cơ bản điện áp đợc
duy trì không đổi, từ thông động cơ đợc dảm theo tốc độ đảm bảo công
suất động cơ không đổi.
Đ
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 2
Phơng pháp trên có thể tạo ra đặc tính tĩnh tốt nhng không đáp
ứng đợc chất lợng điều chỉnh trong thời gian quá trình quá độ. Hệ thống
điều chỉnh định hớng theo từ trờng còn gọi là điều khiển vector có thể
đáp ứng đợc các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nó cho
phép điều chỉmh chế độ mômen và từ thông động cơ bằng điều chỉnh độc
hai thành phần dòng điện stato tơng ứng. Hệ thống điều chỉnh gồm hai

kênh điều khiển độc lập: điều khiển mômen và điều khiển từ thông rotor,
kênh điều khiển mômen gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch
vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ thông. Nh vậy hệ thống
truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo ra đợc những đặc tính
tĩnh và động cao so sánh đợc với động cơ một chiều .
Sau quá trình học tập em đã đợc nhận đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu
và khảo sát hệ thống cân bằng định lợng của nhà máy xi măng Lu Xá.
Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống truyền động cho băng tải của hệ thống cân
bằng định lợng này . Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và đợc sự
giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn thạc sĩ: Lê Xuân Quý cùng với các thầy
cô giáo trong bộ môn, bạn bè đồng nghiệp, đến nay đồ án của em đã hoàn
thành.
Với khả năng kiến thức còn có hạn, do đó bản đồ án này của em chắc
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Bởi vậy em rất mong đợc sự góp ý,
giúp đỡ của các thầy các cô và các bạn đồng nghiệp.
Ngày 6 tháng 3 năm 2000


Nguyễn Đức Quyền







Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển

Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 3
Phần I
Tổng quan về động cơ không
đồng bộ và các phơng pháp
điều chỉnh tốc độ

I.tổng quan về động cơ không đồng bộ
1- Đặc điểm chung:
Động cơ điện không đồng bộ là động cơ điện xoay chiều hai dây quấn
mà chỉ có một dây (sơ cấp) nhận điện từ lới với tần số f
1
không đổi còn
dây thứ hai (thứ cấp) đợc nối tắt hay ngắn mạch trên điện trở. Dòng điện
trên dây thứ cấp đợc sinh ra nhờ hiệu ứng cảm ứng điện từ với tần số f
2
,
tần số f
2
này là hàm của tốc độ góc rotor mà tốc độ này phụ thuộc vào
mômen quay ở trên trục.
Phổ biến nhất ngời ta sử dụng máy điện không đồng bộ dây quấn
stator ba pha đối xứng có cực tính xen chẽ lấy điện từ một lới điện xoay
chiều và dây quấn rotor ba pha hoặc dây quấn nhiều pha có cực từ xen chẽ.

Những loại máy điện nh vậy gọi là động cơ điện không đồng bộ.
Các máy điện không đồnh bộ kiểu khác đợc gọi là Máy điện không đồng
bộ đặc biệt các máy không đồng bộ có thể làm động cơ hoặc máy phát
điện nhng chủ yếu dùng làm động cơ, còn dùng làm máy phát thì rất hãn
hữu, động cơ không đồng bộ xoay chiều là thông dụng nhất.
Trong phạm vi của đồ án này ta không đi sâu vào máy phát mà chỉ
chủ yếu đi sâu về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB).
2. Tóm tắt quá trình phát triển của ĐCKĐB.
Nguyên lý làm việc dụng của động cơ không đồng bộ đã dựa trên
hiện tợngtừ tính quay mà F.Đ.Aragô phát hiện năm 1824 và sau đó đợc
M.Farađây giải thích vào năm 1931. Nhng trong những thí nghiệm của
Aragô đĩa bằng đồng đã đợc chuyển động nhờ nam châm quay chứ không
phải từ trờng quay tạo nên bằng thiết bị đứng yên là stator nh các máy
điện hiện này. Một thời gian dài hiện tợng Aragô không đợc ứng dụng
vào thực tế. Chỉ đến năm 1979 U.Bêli ( ngời Anh ) mới phát hiện ra 1
dụng cụ trong đó việc dịch chuyển trong không gian của từ trờng nhờ 1
thiết bị đứng yên gồm 4 nam châm điện đợc đặt trên khoảng cách nh
nhau so với trụ quay của đĩa bằnh đồng.
Để tạo nên từ trờng quay ngời ta sử dụng một thiết bị chuyển mạch
đặc biệt cung cấp cho nam châm điện những xung điện một chiều có biên
độ và chiều tơ
ng ứ
ng. Nhà bác học ngời ý Gfecrarix, nhà bác học ngời
Nam t Ntecla sống và làm việc chủ yếu ở Mỹ đã phát hiện ra hiện tợng từ
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển

Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 4
trờng quay nh nhận thức hiện nay vào năm 1888 một cách độc lập nhau.
Họ đã chứng minh thành công hai cuộn dây đặt vuông góc với nhau và đợc
cung cấp các dòng điện hình sin lệch nhau 90
0
sẽ tạo ra đợc từ trờng
quay, vector cảm ứng của từ trờng này đặt ở điểm giao nhau của trục các
cuộn dây sẽ quay đều không thay đổi biên độ. Nhng động cơ hai pha của
Fecrarix có mạch từ hở còn rotor là 1 hình trụ bằng đồng sinh ra công suất
tất cả chừng 3w chỉ gần giống với động cơ không đồng bộ hiện nay. Mặt
khác xuất phát từ các giả thiết không đúng về việc cần thiết phải vận hành.
Động cơ với công suất cực đại Fecrarix kết luận sai lầm rằng hiệu suất của
động cơ không đồng bộ không vợt quá 50%. điều này làm giảm đi một
cách rõ rệt việc quan tâm những công trình của fecrarix và 1 thời gian sự
phát triển ý đồ mang tính kỹ thuật của ông đã bị kìm hãm.
Các động cơ không đồng bộ do Ntesla thiết kế đã đợc hãng westing
haox nhận chế tạo. Nhợc điểm của động cơ fteslamaf sau này nó phải chịu
thua kém động cơ ba pha là việc dùng dây quấn tập trung ở stator và rôto
của máy. Điều đó làm cho việc mở máy xấu đi và mômen phụ thuộc rõ rệt
vào vị trí ban đầu của rotor.
Việc phát minh ra động cơ không đồng bộ 3 pha và những đặc điểm
và kết cấu có tính nguyên lý vẫn đợc giữ đến ngày nay gắn liền với tên
tuổi của M.D.Đalivô Đabrovôlxki sau khi tìm hiểu nhữngkết luận của
fecrarix về tính không triển vọng của động cơ không đồng bộ, ông không
đồng ý với quan điểm trên và bắt tay vào nghiên cứu động cơ không đồng

bộ đợc cung cấp từ hệ 3 pha do ông đề nghị. Trong một thời gian ngắn
nghiên cứu theo hớng này đã hoàn thành một phát minh rất quan trọng là
động cơ không đồng bộ ba pha có : rotor kiểu lồng sóc (năm 1889), stator
có kiểu dây quấn dải kiểu hình trống, còn loại rotor có dây quấn ba pha
đợc lấy ra từ các vành trợt, biến trở mở máy đợc đa vào rotor khi mở
máy động cơ (năm 1890).
Vậy nguyên lý đợc phát hiện năm 1824 và năm 1890. Động cơ
không đồng bộ ngày càng đợc xây dựng và phát triển về kết cấu, công
suất, công nghệ và ngày các càng phát huy đợc tác dụng, càng hoàn thiện
hơn cho tới ngày nay.
Động cơ không đồng bộ đã đợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế
bởi u điểm nổi bật của nó là : cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ điện
một chiều thì giá thành hạ, vận hành tin cậy chắc chắn. Ngoài ra các nhà
máy điện hiện nay thờng sản suất ra lới điện xoay chiều do vậy không
cần trang bị các bộ biến đổi kèm theo.
Tuy nhiên hiện nay với sự phát triển nh vũ bão của kỹ thuật vi tính
đặc biệt là kỹ thuật vi sử lý tín hiệu (Digital Signal processer ). Đã cho phép
giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ xoay chiều ba pha,
trong thời gian thực với chất lợng điều khiển cao. Điều đó dẫn đến xu
hớng thay thế triệt để truyền động điện một chiều bởi truyền động điện ba
pha có mọi u điểm của truyền động điện một chiều và ít phải bảo dỡng dễ
chế tạo cùng mọi u điểm khác.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền

Trang 5
II. các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ

Bên cạnh các truyền động về thuỷ lực, dùng khí nén, truyền động
điện ngày càng đợc sử dụng rộng rãi và trở thành khâu không thể thiếu
đợc trong các dây truyền sản suất, đặc biệt là trong các dây sản suất truyền
tự động hiện đại. ở đâu có chuyển động học (các dây truyền, tay máy,
ngời máy ...). ở đâu có động cơ điện làm thiết bị trung gian để chuyển hoá
điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết. Việc điều chỉnh
chính xác dòng cơ năng tạo nên các chuyển động phức tạp của dây truyền
công nghệ nâng cao chất lợng và giảm giá thành sản phẩm là nhiệm vụ của
hệ thống truyền động. Bởi vậy truyền động điện là môn khoa học ứng dụng
các kiểu thức mới nhất, của lý thuyết điều khiển các công nghệ mới nhất
của vi điện tử vi tính, nhằm gán cho động cơ các tính năng cao đáp ứng
đợc các đòi hỏi ngày càng cao của tự động hoá đặt ra cho các hệ truyền
động.
Khác với động cơ điện một chiều động cơ không đồng bộ đợc cấu
tạo phần cảm ứng không tách biệt từ thông động cũng nh mômen động cơ
sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền
động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính
phi tuyến mạnh. Để đánh giá chất lợng điều chỉnh tốc độ, độ trơn của điều
chỉnh tốc độ, sự hoà hợp giữa đặc tính điều chỉnh với đặc tính tải ...
Để sử dụng tốt động cơ có điều chỉnh tốc độ ta cần quan tâm đến các
chỉ tiêu so với các thông số định mức .
Để điều chỉnh đợc tốc độ động cơ không đồng bộ ta xét Đến đờng
đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ cùng các thông số ảnh hởng.

Đờng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là quan hệ giữa tốc độ
quay và mômen động cơ : = f(M).












M

1
S
dm
M
th
M
dm

0
S
th
S
Hình 1. đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 6
Phơng trình đặc tính cơ :
]X)
S
R
R[(S
sRfU.3
M
2
nm
2
2
11
21
2
++
=


Ta thấy các thông số ảnh hởng đến đặc tính cơ của ĐCKĐB là :

- ảnh hởng điện trở điện kháng stator ( nối thêm điện trở phụ R
1

và điện kháng X
1
vào mạch stator).
- ảnh hởng của mạch rotor ( nối thêm điện trở R
2
và điện kháng
X
2
vào rotor với động cơ rotor dây quấn).
- ảnh hởng của sự suy giảm điện áp lới cấp cho động cơ.
- ảnh hởng của độ trợt S.
- ảnh hởng của tần số lới điện cấp cho động cơ.
- Ngoài ra việc thay đổi số đối cực sẽ thay đổi tốc độ động cơ và
ảnh hởng đến đặc tính cơ(xẩy ra với động cơ nhiều tốc độ).
Hiện nay trong công nghiệp thờng sử dụng 4 hệ truyền động điều chỉnh
tốc độ đó là :
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ.
+ Điều chỉnh điện trở rotor.
+ Điều chỉnh công suất trợt.
+ Điều chỉnh tần số nguồn.
Trong phạm vi của đồ án này chủ yếu ta đi sâu nghiên cứ phơng
pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn bằng các
bộ biến tần, còn các phơng pháp khác chỉ nêu qua.
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
điện áp U
1
.

Mômen quay của động cơ tỷ lệ với bình phơng điện áp stator
(M = U
2
) do đó có thể điều chỉnh đợc mômen và tốc độ động cơ
không đồng bộ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stotor trong khi giữ
nguyên tần số. Khi thay đổi U
1
giữ nguyên đặc tính tải M
N
= f(S) đặc tính
cơ biến đổi dần đến lầm thay đổi hệ số trợt. Khi tẩi không đổi nghĩa là khi
M = const hệ số trợt biến đổi coi nh tỷ lệ nghịch với bình phơng điện áp
S = 1/ U
2
cáchệ số trợt khác nhau ứng với cácU
đm
khác nhau. Để điều
chỉnh điện áp không đồng bộ ta phải dùng các bộ biến đổi điện áp.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 7

Sơ đồ nguyên lý của hệ điều chỉnh nh sau:







Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tởng thì theo biểu thức
mômen tới hạn ta có quan hệ sau:

2






=
dmm
b
th
thu
U
U
M
M


Nếu tốc độ của động cơ là không đổi : = const thì M

N
= M
U
/M
gh

công thức (1) đúng với mọi giá trị điện áp mômen trong đó :
- U
đm
là điện áp định mức của động cơ.
- U
b
là đầu ra của điện áp xoay chiều.
- M
th
là mômen tới hạn khi điện áp là định mức.
- M
u
là mômen tới hạn khi điện áp là điện áp điều chỉnh.
- M
gh
là mômen ứng U
đm
và điện trở phụ R
f.

Vì giá trị của độ trợt tới hạn S
th
của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ nên
không áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Khi thực hiện

cho động cơ rotor dây quấn ta cần nối thêm R
f
để mở rộng giới hạn điều
chỉnh tốc độ và mômen. Lúc đó độ cứng đặc tính cơ giảm đi trong đó tốc độ
không tải lý tởng của mọi đặc tính cơ đều nh nhau và bằng tốc độ từ
trờng quay. Ta có đờng đặc tính cơ nh sau:













U
b
U
lới
R
f

R
f

R

f

ĐC
Biến
đổi điện
áp xoay
chiều
(1)
U
đm
,R
f
0
0


1

S
th
S
thgh
Mc()
U
b2
U
b1
U
đm
,R

f
= 0

M
M
th2
M
th1
M
th
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 8
Nhng phơng pháp này có nhợc điểm là giảm khả năng quá tải của
động cơ dải điều chỉnh tốc độ hẹp (từ S = 0 ữ S
đm
), tăng tổn hao ở rotor
(P
đ2
= P
đtừ

.S = S .M .
1
,
1
bằng tốc độ từ trờng quay) nên phơng pháp
này chủ yếu đợc áp dụng cho những động cơ công suất vừa và nhỏ có hệ
số trợt tới hạn S
th
lớn.
2- Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở
mạch dây quấn rotor.
Khi đa thêm điện trở phụ R
f
vào mạch dây quấn rotor thì :
M
th
= const ;
1
= const và
2
nm
2
1
fr
th
XR
RR
S
+
+

=
.
Trong đó:
- S
th
là hệ số trợt tới hạn.
- R
v
là điện trở rotor.
- R
t
là điện trở đa vào thêm.

- X
nm
là điện kháng mạch stator.

Từ biểu thức trên ta thấy: khi R
f
càng lớn thì S
th
càng lớn mà mômen
tới hạn không đổi do đó đờng đặc tính cơ mềm hơn và có dạng nh hình
vẽ:

Khi điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp này tổn hao trong mạch dây
quấn rotor (S. P
đt
) đợc phân phối giứa bản thân động cơ và biến trở điều
chỉnh tỷ lệ với các hệ số trợt lớn khi đố R
2
= R
f
và chủ yéu đợc phát ra
trên biến trở.
M
th
U
đm
,R
f
0
U
đm
,R
f
= 0
S

th
S
tth
S

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 9
Nếu giữ cho dòng rotor không đổi thì mômen không đổi và không
phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy ta có thể áp dụng phơng pháp náy
cho những truyền động có mômen tải không đổi.
3. Điều chỉnh công suất trợt làm thay đổi tốc độ động cơ .
Trong trờng hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách làm mềm đặc tính và giữ nguyên tốc độ không tải lý tởng thì công
suất trợt P
s
= S.P
dt
đợc tiêu tán ở trên mạch rotor. Các hệ truyền động
công suất lớn tổn hao này là đáng kể vì thế để vừa điều chỉnh đợc tốc độ
truyền động vừa tận dụng đợc công suất trợt ngời ta sử dụng các sơ đồ

công suất trợt gọi là sơ đồ nối tầng . Có nhiều phơng pháp xây dựng hệ
nối tầng. Hiện nay ngời ta thờng dùng hệ nối tầng thyristor .
Với sơ đồ nối tầng dùng thyristor thì sức điện động rotor đợc qua bộ
chỉnh lu thành một chiều qua cuộn kháng cấp cho nghịch lu phụ thuộc.
Điện áp và tần số xoay chiều của nghịch lu là không đổi do đợc xác định
bởi tần số và điện áp của lới điện. Góc điều chỉnh của nghịch lu thay đổi
trong khoảng 90
0
ữ140
0
. Độ lớn của dòng rotor hoàn toàn phụ thuộc vào
mômen tải mà không phụ thuộc vào góc điều khiển của nghịch lu.
ở chế độ không tải lý tởng khi dòng rotor bằng 0 thì tốc độ không
tải ý tởng sẽ đợc tính : S
0
= U
r0
/ U
m

Trong đó : U
r0
là suất điện Động chỉnh lu không tải phía rotor.
U
m
là biên độ điện áp pha stator.
Nên nếu ta điều chỉnh đợc sức điện động chỉnh lu mạch phía rotor
thì có thể điều chỉnh đợc độ trợt không tải lý tởng tức là điều chỉnh
đợc tốc độ không tải lý tởng mà giá trị của sức điện động chỉnh lu

đợc
điều chỉnh bởi góc mở của nghịch lu phụ thuộc. Đặc tính cơ của hệ nối
tầng dùng thiristor ứng với các góc mở khác nhau nh hình vẽ :














2
=100
0

n
=140
0

1
=90
0

đặc tính cơ tự nhiên

M
tht
M
th
M

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 10
Do điện cảm cuộn lọc trong mạch một chiều có giá trị là hữu hạn nên
dòng một chiều có thể bị gián nên đặc tính ở đoạn này có độ dốc lớn. Mặt
khác do sụt áp gây nên bởi điện trở stator. Điện trở mạch một chiều, điện
trở điện kháng của máy biến áp cung cấp cho mạch nghịch lu, sụt áp do
chuyển mạch của nghịch lu và chỉnh lu cho nên các đặc tính cơ điều
chỉnh đều có độ cứng và mômen tới hạn nhỏ hơn đặc tính cơ tự nhiên.
Nguyên lý điều công suất trợt thờng áp dụng cho các truyền động
công suất lớn vì khi đó tiết kiệm năng lợng có ý nghĩa rất lớn. Phạm vi
điều chỉnh tốc độ không lớn lắm và mômen động cơ bị giảm khi tốc độ thấp
. Mặt khác các hệ thống lớn khi khởi động động cơ thờng dùng điện trở
phụ kiểu chất lỏng sau đố chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trợt do
đó nên áp dụng cho các hệ thống có số lần khởi động và đảo chiều ít.

4- điều chỉnh tốc độ động cơ không đòng bộ bằng phơng pháp
thay đổi tần số.
Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về
dải điều chỉnh và tính chất động học, chỉ có thể thực hiện đợc với bộ biến
tần. Các hệ thống này sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, kết
cấu đơn giản, vững chắc giá thành rẻ, có thể hoạt động trong mọi môi
trờng, kể cả mọi trờng có hoạt tính cao nh nớc .













Biểu đồ so sánh kinh tế trên cùng với sự phát triển của và sự tiến bộ
của khoa học kỹ thuật, ngày nay cho ta thấy truyền động tần số dần thay thế
triệt để truyền động điện một chiều.
Yêu cầu chính đối với đặc tính truyền động tần số là : đảm bảo độ
0
0
Giá thành động cơ
Giá thành phần điều khiển
Giá thành động cơ
Giá thành phần điều khiển

Giá thành truyền động tần só
Giá thành truyền động 1 chiều
50%
100%
30%
100%
P(kw)
t(năm)
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 11
cứng của đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ trong toà bộ dải
điều chỉnh tần số và phụ tải. Ngoài ra còn có vài yêu cầu về điều chỉnh tối
u trong chế độ tĩnh, thí dụ nh yêu cầu đảm bảo đợc mômen max ứng với
dòng điện đã cho hoặc đảm bảo đợc mômen đủ lớn khi tốc độ bằng
không...
Tuỳ theo yêu cầu và nền kinh tế ta có thể xác định đợc các cấu trúc
cơ bản của hệ biến tần, ta có thển chia thành các loai bộ biến đổi là : biến
tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.
4.1 - Xét một số luật biến đổi tần số.
4.1.1- Biến tần số-điện áp.

Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng và từ thông dòng điện,...của động
cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm cho động
cơ bị quá dòng thì phải điều chỉnh cả điện áp.
Với hệ biến tần nguồn áp thờng có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải
về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Mômen cực đại
mà động cơ sinh ra chính là mômen tới hạn, khả năng quá tải về mômen
đợc quy định bởi hệ số quá tải mômen. Các khoá bán dẫn thờng sử dụng
các van là tranzitor, còn ở công suất lớn thờng sử dụng các van thiristor.
Việc đóng ngắt các van thờng đợc thực hiện bằng các mạch điện ngắt đặc
biệt nh tụ điện hay thiristor phụ.thời gian gần đây đợc sử dụng các van
thiristor đặc biệt là các van khoá đợc bằng các xung điều khiển (GTO).
Giá trị điện áp của động cơ đợc điều chỉnh hoặc bởi điều chỉnh biên
độ điện áp một chiều bằng chỉnh lu điều khiển hoặc bởi bộ băm xung áp.
Điện áp cũng có thể điều chỉnh bằng điều chỉnh thời gian đóng của các van
hoặc điều bằng chế độ rộng các xung áp bằng chính nghịch lu. Phơng
pháp điều chỉnh điều chỉnh từ thông là phơng pháp điều chỉnh đợc sử
dụng rộng rãi nhất trong các truyền động, nhất là ở các truyền động công
suất nhỏ. Do có u điểm nổi bật là vừa điều chỉnh đợc điện áp, vừa làm sin
hóa điện áp đặt vào động cơ. Với số lợng các xung có thể làm triệt tiêu các
sống hài bậc cao.
Chế độ định mức là chế độ làm việc tối u của động cơ không đồng
bộ, trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ là tối đa về công suất.
Luật điều chỉnh điện áp tần số là luật gần đúng giữ từ thông không đổi
trong toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thông trên động cơ, trên mỗi đặc
tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trợt tức là mômên tải trên trục động
cơ. vì thế trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lợng cao ta phải tìm cách
bù từ thông .


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 12
Ta có mối quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor qua công
thức sau:
2
2
m
r
z
).T(1
L
I +

=
;
r
r
r
R
L
T =

I
s
: dòng stator


r
: từ thông rotor


s
: vận tốc góc stator
L
m
: hỗ cảm giữa stator và rotor
T
r
: hắng số thời gian rotor
Muốn giữ cho từ thông không đổi thì dòng điện stator phải đợc đều
chỉnh theo độ trựơt đó là quy luật điều chỉnh từ thông. Nguyên lý điều
chỉnh từ thông động cơ đợc gián tiếp thông qua điện áp của động cơ.

U
đk
NLĐ
L
NMC

a

c

b

U
d
U
AN
D2 D4
D5 D3

S6
S
1
S
2
S
3
S
S
5
D
1
D6
U
d /
U
d /
ĐK
Sơ đồ nguyên lý biến đổi tần số-điện
á
I

d
I
a
u
a

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 13
4.1.2- biến đổi tần số-dòng điện.

Biến tần nguồn dòng có u điểm là tăng đợc công suất đơn vị máy,
mạch động lực đơn giản mà vẫn có thể thực hiện hãm tái sinh động cơ.
Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lu phải là nguồn dòng, tức là dòng
điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Để
tạo nguồn dòng một chiều thờng dùng chỉnh lu điều khiển hoặc băm
xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ tích phân
( PI ) . Mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn. Do có
nguồn dòng 1 chiều nên việc chuyển mạch các van bán dẫn có thể thực hiện
bằng các tụ trên van chuyển mạch.
ở hệ thống biến dòng nguồng dòng thì mômen cực đại hay mômen

tới hạn không phụ thuộc vào tần số mà chỉ phụ thuộc vào bình phơng dòng
điện stator khi biến tần nguồn dòng việc với tải là động cơ xoay chiều thì
điện áp ra của tải xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch
giữa các pha. Trong thực tế kỹ thuật sử dụng không hoàn toàn nh vậy cần
có các mạch khoá cỡng bức van bán dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện
giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng
điện đủ rộng .
Tơng tự nh biến tần nguồn áp biến tần nguồn dòng cũng có yêu
cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen không đổi trong suốt dải điều
chỉnh. Ta có thể dùng công thức dòng stator:
2
2
m
r
z
).T(1
L
I +

=

Mặt khác mỗi đặc tính cơ ứng với một giá trị cố định của dòng điện
stator, do đó động cơ lầm việc ở điểm tới hạn của đặc tính, thì khả năng
sinh mômen là max.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi tần số-dòng điện đợc trình bày nh
hình vẽ sau:

D4
CL

-i
d
c
b
a
i
b
i
a
D1
T
1
T
3
ĐK
CL

RI
T
5

D3 D5
D6
D2
T
4
T
6
T
2

i
d
i
d
L
NL ĐK
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền

Trang 14
Với cấu trúc và thông số thích hợp của các bộ điều chỉnh thì phơng
pháp điều chỉnh tần số nguồn áp, ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có
thể điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vector dòng điện. Điều khác
biệt là trong hệ thống biến tần thì dòng điện là liên tục và chuyển mạch của
các van là phụ thuộc lẫn nhau.
4.2.- Các bộ biến đổi tần số.
4.2.1- Bộ biến đổi tần số trực tiếp.
ở loại biến tần trực tiếp điện áp xoay chiều u
1
( với tần số f
1
) chỉ cần
qua một van chỉng lu là chuyển ngay ra tải với tần số khác. Vì vậy biến
tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao nhng số lợng van lớn sơ đồ
mạch van phức tạp. Việc thay đổi tần số ra là phức tạp và phụ thuộc vào tần
số f
1
.
Loại biến tần này làm việc chủ yếu trong phạm vi tần số ra f
2


f
1
.
Tuy nhiên trong lý thuyết hay nguyên tắc có thể thiết lập biến tần với tần số
f
2

có thể lớn hơn f
1
nhng độ phức tạp rất cao. Trong biến tần trực tiếp thì
đờng cong điện áp ra là đờng ghép nối các đoạn hình sin của điện áp
nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ
các van bán dẫn. Các van bán daaxntrông biến tần đợc chuyển mạch một
tự nhiên.
Biến tần trực tiếp có hiệu suất rất cao vì chỉ có một lần biến đổi năng
lợng và cho phép thực hiện hãm tái sinh mà không cần các mạch phụ cũng
có thể thực hiện điều chỉnh điệp áp và tần số đầu ra của biến tần với dạng
sóng gần sin. Tuy nhiên cũng có nhiều nhợc điểm nh : hệ số công suất
thấp, dải điều chỉnh tần số bị giới hạn trên của nguồng cung cấp và điều
khiện chuyển mạch của các van.
Trong biến tần chuyển mạch tự nhiên mỗi nửa sóng dẫn của các van
thyristor ,vì vậy tần số cơ bản của dòng tải đợc lấy các giá trị gián đoạn.
Về nguyên tắc cũng có thể điều chỉnh trơn các tần số điện áp ra, tuy vậy khi
đó thờng suất hiện sự mất đối xứng giữa nửa sóng dơng và nửa sóng âm
của chu kỳ dòng và áp. ở các tần số không tải là ớc số của tần số nguồn có
thể xuất hiện biến điệu tần số thấp. Việc điều chỉnh điện áp ra của biến tần
trực tiếp đợc thực hiện bằng cách thay đổi góc pha xung, trong chế chỉnh
lu và nghịch lu phụ thuộc. đồ thị điện áp đầu ra có chứa phổ bíên các
sóng hài bậc lẻ, biên độ các sóng hài tỷ lệ nghịch với biên độ của chúng.
Nếu tải ba pha đối xứng và không dây trung tính thì điện áp ra không chứa
thành phần sóng hài bậc hai và bậc ba. Dới đây là sơ đồ ba pha của biến
tần trực tiếp 6 đỉnh xung và 3 đỉnh xung.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển

Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 15

4.2.2- Bộ biến đổi tần số gián tiếp.
Trong biến tần loại này điện áp xoay chiều đầu tiên đợc biến thành
điện áp một chiều nhờ chỉnh lu sau đó qua bộ lọc và cuối cùng thành điện
áp xoay chiều nhờ nghịch lu. Biến tần loại này cho phép biến đổi về tần số
f
2
không phụ thuộc vào tần số trong một dải rộng cả trên và dới f
1
chỉ phụ
thuộc vào mạch điều khiển.
Sơ đồ chỉ số 6
Nguồn
ba pha
B
A
C
pha 2
pha 2
pha 1
N
Sơ đồ chỉ số 3
C
B
A

pha 1
pha 2
pha 3
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 16
Tần số và hình dáng điện áp xoay chiều đầu ra cung cấp cho mạch tải
do nghịch lu quyết định. Căn cứ vào tính chất của mạch 1 chiều cung cấp
cho nghịch lu mà ta có 2 loại nghịch lu: nghịch lu áp và nghịch lu
dòng.
Nghịch lu áp: là bộ nghịch lu định hình điện áp trên tải là những
xung vuông, còn hình dáng dòng điện và góc pha của tải phụ thuộc vào
thông số của tải. Nguồn cung cấp cho nghịch lu áp là nguồng điện áp 1
chiều, ổn định nh một bộ chỉnh lu có các tụ song song với dung lợng lớn
ở đầu ra, sơ đồ nguyên lý của nghịch lu áp nh sau:





Tụ c =

trong sơ đồ để thực hiện việc trả năng lợng phản kháng
của tải về nguồn điện 1 chiều khi tải không phải là tải thuần trở và duy trì
điện áp cung cấp cho nghịch lu là ổn định.
Điện áp ra của nghịch lu áp không có dạng hình sin mà đa số là
dạng chữ nhật các van bán dẫn chuyên dùng tranzitor ngời ta tánh dùng
tristor. Nghịch lu áp 3 pha ngời ta thờng dùng sơ đồ cầu, quá trình điện
từ trong nghịch lu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nh đặc tính tải,
cách đấu tải, kiểu đấu biến áp ra nguồn cung cấp và nguyên tắc điều khiển.
Nghịch lu dòng : là là bộ nghịch lu định hình dòng điện trên tải là
những xung vuông còn hình dáng điện áp và góc pha của tải thì do thông số
của tải quyết định. Trong công nghiệp ngời ta thờng sử dụng chỉnh lu có
mắc cuộn kháng có giá trị dủ lớn ở đầu ra.





Dòng điện tải có dạng nhật hình sin và do tính tự đóng ngắt tự quyết
định. Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng kỹ
thuật số, vi xử lý dùng van tranzitor đã phát huy đợc những u điểm nổi
bật của loại biến tần này vì đa số các biến tần là có khâu trung gian là 1
chiều ngời ta tránh dùng thyritor.
Dới đây là sơ đồ nguyên lý bộ biến đôi tần số gián tiếp nguồn áp ba
pha dùng các van dẫn là tranzitor.
C
L=

CL

NL




L

CL

NL




C=


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền

Trang 17









III. kết luận
Nh vậy : trong truyền động điện với những chỉ tiêu kinh tế và kỹ
thuật có u điểm nổi bật của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba
pha, ngày nay đợc sử dụng rộng rãi và dần thay thế động cơ điện một
chiều trong lĩnh vực điều chỉnh truyền động điện xoay chiều. Bởi vì nhợc
điểm chính của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha là điều
chỉnh tốc độ và khống chế quá trình quá độ khó khăn. Nhng ngày nay với
sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì đã giải quyết đợc các thuật toán
phức tạp, điều chỉnh tốc độ không còn là khó khăn.
Trong các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu
cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện với
phơng pháp điều chỉnh tần số bằng thiết bị biến tần. Các hệ thống này sử
dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản và các u
điểm khác. Trong các luật, các phơng pháp điều chỉnh tần số vì ở đây động
cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha nên không tồn tại các quan hệ
minh bạch giữa dòng xoay chiều và từ thông, giữa dòng xoay chiều và
mômen nh ở động cơ một chiều. Mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và
các đại lợng ba pha phức tập, thì phơng pháp điều chỉnh tần số dựa trên
phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phơng pháp thay đổi tần số
dựa trên phơng thức thay đổi góc pha của từ thông rotor là tối u nhất, bởi

nó có các u điểm của phơng pháp điều chỉnh tần số khác không có đợc.
Cùng với các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha, phơng pháp điều chỉnh theo hớng của từ thông rotor
sẽ là phơng pháp chủ chốt của truyền động điện hiện đại trong những năm
tới. Với đề tài đã cho trong phạm vi đồ án này ta sẽ giới thiệu ứng dụng của
phơng pháp biến tần vector trong hệ thống cân băng định l
ợng của nhà
máy xi măng Lu Xá. Trong thực tế phơng pháp biến tần vector đợc ứng
dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Muốn vậy trớc hết ta đi
xây dựng hệ thống điều khiển biến tần tạo ra tần số mong muốn từ nguồn
điện áp một chiều dựa trên cơ sở của phơng pháp điều chế vector không
gian.
Z
C
Z
B
Z
A
C
D
2
D
5
D
4
D
3
T
5
T

2
D
6
D
1
T
3
T
4
T
1
T
6
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 18
Phần II
Mô tả các đại lợng ba pha
của động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc
I. Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có ba cuộn dây stator với
dòng điện ba pha bố trí trông không gian tổng quát nh sau.


















Ta không cần quan tâm đến việc động cơ đợc cấu tạo theo hình sao
hay hình tam giác, ở đây ba dòng điện i
su
, i
sv
, i
sw
là ba dòng chảy từ lới qua
đầu nối vào động cơ. Khi động cơ chạy bằng biến tần, đó là ba dòng đầu ra
của biến tần. Ba dòng điện đó thoả mãn phơng trình sau:

i
su
+ i
sv
+ i
sw
= 0 (2.1)
Trong đó tờng dòng điện thoả mãn các công thức sau:
i
su
(t) =

i
s

.cos(

s
t) (2.2a)
i
sv
(t) =

i
s

.cos(

s
t + 120

0
) (2.2b)
i
sw
(t) =

i
s

.cos(

s
t +240
0
) (2.2c)

i
sv
i
sw
Pha W
Pha V
i
su
Pha U
Rotor
Stator
Hình 2.1. Mô hình đơn giản của ĐCKĐBBP rotor lồng sóc.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#

" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 19
Một cánh lý tởng thì ba cuộn dây của động cơ xoay chiều ba pha đặt
lệch nhau 1 góc 120
0
trên mặt cắt ngang nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập
một hệ trục toạ độ phức với trục đi qua cuận dây u của động cơ ta có thể
dựng vector không gian sau đây:
i
s
(t) =
3
2
[ i
su
(t) +i
sv
(t)

e
j120
+ i

sw
(t).

e
j240
] =

i
s

.e
j

(2.3)
Theo công thức (2-3) vector i
s
(t) là vector có môdul không đổi quay
ttrên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ

s
và tạo với trục thực (đi qua trục
cuộn dây pha U) một góc

=

s
(t) (ts là tần số mạch stator). Việc xây dựng
vector không gian i
s
(t) đợc mô tả nh sau:

Qua hình (2-2) ta thấy rằng các dòng điện ba pha chính là hình chiếu
của vector mới thu đợc trên cuộn dây pha đó. Đối với các đại lợng khác
của động cơ nh điện áp, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor đều có
thể xây dựng các vector tơng ứng đối với dòng điện kể trên. Ta đặt tên cho
trục thực của một mặt phẳng là

còn trục ảo là

, ta hãy quan sát hình
chiếu của các vector dòng ở trên xuống hai trục đó, hai hình chiếu đợc đặt
tên là i
s

và i
s

, trên hình vẽ sau đây.

Hình 2-2. Thiết lập vector không gian từ các đại lợng ba pha
j 240
0
j j 240
0
Re
e

v
u
w
e


i
s
(t)
1
3
2
i
su
(t)
3

2
i
sv
(t).

e
3
2
i
sw
(t).

e
j 120
0
j 120
0
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 20

Hai dòng kể trên là hai dòng hình sin, ta có thể hình dung ra một
động cơ điện tơng ứng với cuộn dây cố định

,

thay thế cho ba cuộn dây
U, V,W. Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của
ba cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo hai trong ba dòng stator là ta
có đầy đủ thông tin về vector i
s
(t) với các thành phần trong công thức (2.4).
Công thức (2.4) chỉ đúng khi trục cuộn dây pha U đợc chọn làm trục

quy chiếu chuẩn nh trong hình vẽ (2.3), điều này có ý nghĩa trong toàn bộ
quá trình xây dựng hệ thống điều khiển/ điều chỉnh sau này:
i
s


= i
su
(2.4.a)
i
s

=
3
1
(i
su
+ i
sv
) (2.4.b)
Tơng tự với các vector stator các vector điện áp stator, dòng rotor, từ
thông stator, từ thông rotor đều đợc biểu diễn bằng các phần tử thuộc hệ
toạ độ cố định(TĐST).
i
s
= i
s


+ ji

s


(2-5a)
u
s
= u
s


+ ju
s


(2-5b)
i
r
= i
r


+ i
r

(2-5c)

r
=

r

+


r


(2-5d)

s
=

s


+


s


(2-5e)
120
0
120
0
i
sv
120

0
i
su
= i
s


Cuộn dây
pha W
Cuộn dây
pha U
Cuộn dây
pha V
i
sw
i
s


i
s
Hình2-3. Biểu diễn dòng stator dới dạng vector không gian
với các phần tử i
s

và i
s

thuộc hệ toạ độ stator cố định

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 21
II. chuyển hệ toạ độ cho vector không gian.
Mục đích ở đây là đa ra cách quan sát các đại lợng vector trên hệ
toạ độ statar về quan sát trên hệ toạ độ quay đồng bộ với từ thông stator .
Xét hệ toạ độ tổng quát xy hình dung có một hệ toạ độ khác là x
*
y
*

có chung điểm gốc và lệch đi một góc là V
*
so với hệ toạ độ xy.
Quan sát 1 góc V
bất kỳ ta thu đợc :
Trên hệ xy : V
xy
= x + j y (2-6)
Trên hệ x

*
y
*
: v
*
= x
*
+ j y
*
(2-7)













Từ hình (2-4) ta có
x
*
= xcosv
*
+ ysinv
*

(2-8.a)
y
*
= -xsinv
*
+ ycosv
*
(2-8.b)
thay (2-8.a) và (2-8.b) vào (2-7) ta đợc:
v
*
= (xcosv
*
+ ysinv
*
) + j(-xsinv
*
+ ycosv
*
) (2-9.a)
= (x+jy)(cosv
*
- jsinv
*
) = v
xy
. e
-jv*
(2-9.b)
Một cách tổng quát ta thu đợc từ (2-9.a) và (2-9.b) công thức chuyển

hệ sau đây.
V
xy
= V
*
. e
jv*


V
*
= V
xy
e
-jv*
(2-10)
Hai hệ toạ độ xy và x
*
y
*
đợc coi là cố định hay góc lệch pha v
*
đợc

coi là không đổi. Tuy nhiên trong thực tế v
*
có thể là 1 góc biến thiên với
tốc độ góc

*

=
dt
*dv
trờng hợp đó hệ toạ độ x
*
y
*
là hệ toạ độ qay tròn với tốc độ
góc

*
xung quanh điểm gốc của hệ toạ độ xy.
jy
v
jy
y
*
x
V
y
x
*
x
Hình 2-4. Chuyển hệ toạ độ cho vector không

*
=
dt
dv
*

x
*
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 22
Bây giờ giả sử ta quan sát ĐCXCBP đang quay với tốc độ

=
dt
dv

Trong đó v là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (trục đi qua cuộn dây pha
U ). Ta mô tả vector dòng stator i
s
và các vector từ thông rôtor

r
với môdul
và góc pha ngẫu nhiên. Vector từ thông với tốc độ:

s
= 2

f
s
=
dt
dv

Trong đó: f
s
là tần số mạch điện stator
Ta thấy ở hình vẽ dới đây với trờng hợp ĐCXCBP là động cơ đồng
bộ thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor, dù động cơ đó là loại
kích thích ngoài hay vĩnh cửu. Trong trờng hợp ấy ta có

=

s
nếu
ĐCXCBP là ĐCKĐB thì sự chênh lệch giữa

và

s
sẽ tạo nên dòng điện
với tần số f
s
dòng điện đó cũng có thể biểu diễn dới dạng vector i
r

quay
với tốc độ góc

=2

f .

i
sq

r
i
sd
Cuộn dây
pha V

s
j


i
s
i
s


s
Trục rôtor
Hình 2-5. Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ
từ thông rotor còn gọi là hệ toạ độ dq




Trục từ thông rôtor

jq

Cuộn dây
pha U
Cuộn dây
pha W
i
s




Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 23
ở hình (2-5) nếu ta xây dựng một hệ toạ độ mới có trục thực có hớng
trùng với hớng của véc tơ

r
và gốc toạ độ trùng với gốc toạ độ

,

và đặt
tên cho các trục mới là dq. Ta thấy rằng hệ trục toạ độ mới này quay xung
quanh điểm gốc với tốc độ góc

s
và vector i
s
có các phần tử mới sẽ là i
sd
và
i
sq
. Để rễ nhận thấy vector đang đợc quan sát ở hệ toạ độ nào thì ta quy
ớc thêm 2 chỉ số f và s và hệ toạ độ từ thông rotor thí dụ i
s
s
: vector dòng
quan sát trên hệ toạ độ

, i
s
f
là vector dòng quan sát trên hệ toạ độ dq.
Từ đó ta có :
i
s
s
= i
s

+ ji
s

(2.11.a)
i
s
f
= i
sd

+ ji
sq
(2.11.b)

Nếu biết góc i
s
thì ta có thể rễ dàng tính đợc i
s
f
bằng công thức
i
s
f
= i
s
s
.e
-j

s
(2.12)
Hoặc một cách chi tiết hơn ta có:
i
sd
= i
s

sin

s
+i
s

cos

s
(2.13.a)
i
sq
= i
s

cos

s
+i
s

sin

s
(2.13.b)
Trong đó i
s
s
cũng nh các phần tử i
s


và i
s

đã đợc tính bằng công thức
(2.4.a) và (2.4.b) trên cơ sở các dòng đo đợc i
su
,i
sv
.
Toàn bộ quá trình diễn giải trên đợc tổng kết trên hình sau.

s

i
sq
i
sd
Pt(2.10)
Pt(2.4)

e
-j

s




2
3
i
s

i
s


w v u
ĐCXBP
Biến tần
Khiển biến tần


3


=
M
3

Hình 2.6.thu thập các giá trị dòng stator trên hệ toạ độ từ thông
thực của vector ông rotor
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền

Trang 24
Một u điểm rễ nhận thấy của hệ toạ độ mới ở chỗ do các vector i
s

và

r
cũng nh hệ toạ độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ

s
quanh
điểm gốc, các phần tử của vector (ví dụ i
sd
, i
sq
) là các đại lợng một chiều.
Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử thậm chí có thể là không đổi.
Trong quá trình quá độ chúng có thể biến thiên theo thuật toán đã đợc định
trớc. Mặt khác trên cơ sở của hình (2.6) ta có thể nhận thấy ngay đợc khó
khăn của việc xác định i
sd
, i
sq
và góc

s
. trong trờng hợp động cơ không
đồng bộ góc

s
đợc xác định rễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng
quay(máy phát xung kèm vạch 0, resolver). Trong trờng hợp ĐCKĐB, góc

s
đợc tạo nên bởi tốc độ góc

s
=

+

r
, trong đó chỉ có

có thể đo
đợc. Ngợc lại

r
= 2

f
r
với f
r
là tần số của mạch rotor ta cha biết. Vậy
phơng pháp mô tả trên hệ toạ độ dq đòi hỏi phải xây dựng đợc phơng
pháp tính

r
một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển/ điều
chỉnh tựa theo từ thông rotor(viết tắt : T
4
R). Một cách tơng tự nh đối với
vector dòng stator, ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ toạ độ
dq.
u
s
f
= u
sd
+ ju
sq
(2.14.a)
i
s
f
= i
sd
+ j
sq
(2.14.b)


r
f
=

rd

+ j

rq
(2.14.c)

r
f
=

sd
+j

sq
(2.14.d)
Ta rễ nhận thấy trong phơng trình (2.14.c) có

rd
= 0 do trục q đứng
vuông góc với bản thân vector

r
. Tuy nhiên trên thực tế rất khó khăn tính
tuyệt đối chính xác góc

s
, do vậy ta vẫn giữ

rq
để đảm bảo tính khách
quan trong khi quan sát.

III. Khái quát u thế của việc mô tả động cơ xoay
chiều ba pha trên hệ toạ độ từ thông rotor
Với ĐCXCBP không tồn tại các quan hệ minh bạch ( giữa dòng và từ
thông , giữa dòng và mômen) nh ở động cơ một chiều mà là cấu trúc mạch
và các đại lợng phức tạp. Phơng pháp mô tả trên hệ dq cho phép mô tả
dẫn tới các tơng quan giống nh động cơ một chiều nhằm đạt đợc các
tính năng điều chỉnh/ điều khiển giống nh động cơ một chiều.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển



Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền



Trang 25
Sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lợng dòng áp từ
thông động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ toạ độ dq ta
thu đợc các quan hệ đơn giản gia mômen quay, từ thông và các phần tử
của vector dòng stator.


r
=
r
sdM
PT1

i.L
+
(2.16.a)
m
M
=
2
3

t
M
L
L
P
c
.

rs
. i
sq
(2.16.b)
Với :

rd
- phần tử d của vector từ thông rotor (cũng chính là môdul của
vector).
i
sd
, i
sq

: phần tử d và q của vector dòng stator.
M
M
: mômen quay của động cơ.
L
r
,L
m
: điện cảm rôtor, hỗ cảm giữa stator và rôtor.
P
c
: số đối cc của động cơ.
T
r
: hằng số thời gian của rôtor.
P : toán tử laplace.
Phơng trình (2.16.a) cho ta thấy là từ thông rotor có thể tăng giảm
gián tiếp thông qua tăng giảm i
sd
, quan hệ trong (2.16.a) là quan hệ trễ bậc
nhất với hằng số thời gian T
r
. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và
chính xác dòng i
sd
có thể coi i
sd
là đại lợng điều khiển của từ thông rotor.
Dòng i
sd

đợc gọi là dòng kích từ và giữ vai trò tơng tự nh i
k
(dòng kích
từ) trong công thức tính từ thông

M
= k.i
k
của máy điện một chiều.
Nếu bằng dòng i
sd
thành công trong việc điều chỉnh ổn định

rd
tại mọi
thời điểm công tác của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt
nhanh chính xác dòng i
sd
theo phơng trình (2.16.b) sẽ có thể coi i
sd
là đại
lợng điều khiển mômen động cơ. Do đó i
sd
đợc gọi là dòng tạo mômen
quay, tơng tự i
M
( dòng phần ứng ) trong công thức tính mômen quay
m
M
= k.

M
.i
M
của động cơ một chiều. Các đặc tính trên cho phép ta xây
dựng cấu trúc hệ thống nh hình vẽ sau:
Toàn bộ quá trình diễn giải trên đợc tổng kết trên hình sau.