Ước lượng tốc độ dùng phương pháp thích nghi MRAS để ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ trong điều kiện tối ưu cảm biến

i
Báo cáo luận văn

Lời cảm ơn
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:
-

Các thầy cô Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh
đã giảng dạy, cho tôi nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học, cũng

-

như quá trình nghiên cứu.
Thầy TS. Trần Thanh Vũ người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và giúp đỡ
tôi trên con đường nghiên cứu, Thầy TS. Phạm Công Thành đã có nhiều ý

-

kiến đóng góp để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè, người thân và gia đình đã giúp đỡ tôi
trên con đường học tập và nghiên cứu.

HVTH: Lưu Thiện Quang


ii
Báo cáo luận văn

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình

nào khác.

Học viên thực hiện luận văn

Lưu Thiện Quang

HVTH: Lưu Thiện Quang


iii
Báo cáo luận văn

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...........................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN..................................................................................................4
Chương 2. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN...............................................................................................................................6
2.1. Tổng quan về động cơ 3 pha ACIM......................................................................6
2.1.1. Cấu tạo............................................................................................................6
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ 3 pha ACIM............................................8
2.1.3. Ứng dụng của động cơ ACIM......................................................................10
2.2. Vector không gian của các đại lượng 3 pha........................................................10
2.2.1. Biểu diễn véc tơ không gian của các đại lượng ba pha...............................10
2.2.2. Hệ trục tọa độ tĩnh........................................................................................12
2.2.3. Chuyển đổi tọa độ từ....................................................................................13
2.3. Mô hình của động cơ 3 pha ACIM......................................................................13
2.3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ.................................13
2.3.2. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (hệ ).........................16
2.4. Các phương pháp điều khiển động cơ ACIM......................................................17
2.4.1. Giới thiệu bộ biến tần nguồn áp...................................................................17

2.4.2. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.................................18
2.4.3. Phương pháp điều khiển bằng cách thay đổi tần số nguồn áp V/f..............18
2.4.3.1. Phương pháp E/f....................................................................................19
2.4.3.2. Phương pháp V/f...................................................................................20
2.5. Các phương pháp điều chế trong biến tần nguồn áp...........................................23
HVTH: Lưu Thiện Quang


iv
Báo cáo luận văn

2.5.1. Phương pháp điều chế SPWM (Sin Pulse Width Modulation )..................23
2.5.2. Phương pháp điều chế SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)25
2.5.3. Xác định Vd , Vq , Vref và góc...................................................................30
2.5.4. Xác định thời gian T1, T2, T0.....................................................................31
2.5.5. Xác định thời gian đóng cắt của các khóa bán dẫn (S1 đến S6).................33
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
ACIM...............................................................................................................................36
3.1. Tổng quan về điều khiển không cảm biến (sensorless).......................................36
3.2. Mô hình ước lượng tốc độ trực tiếp từ phương trình trạng thái..........................36
3.3. Ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS)......................38
3.3.1. Mô hình ước lượng tổng quát (MRAS).......................................................38
3.3.2. Mô hình ước lượng tốc độ dựa trên MRAS đề xuất....................................39
3.4. Thuật toán PID điều khiển tốc độ động cơ ước lượng........................................47
3.4.1. Thuật toán PID số.........................................................................................48
3.4.2. Phương pháp điều chỉnh...............................................................................49
Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN PSIM VÀ KẾT QUẢ.........51
4.1. Giới thiệu về phần mềm PSIM............................................................................51
4.2. Xây dựng cấu trúc ước lượng trực tiếp từ phương trình trạng thái trong PSIM.52
4.2.1. Sơ đồ tổng thể...............................................................................................52

4.2.2. Mô hình ước lượng trong PSIM...................................................................53
4.2.3. Kết quả mô phỏng........................................................................................53
4.3. Xây dựng cấu trúc ước lượng thích nghi MRAS trong PSIM ...........................56
4.3.1. Sơ đồ tổng thể...............................................................................................56
HVTH: Lưu Thiện Quang


v
Báo cáo luận văn

4.3.2. Mô hình ước lượng trong PSIM...................................................................56
4.3.3. Kết quả mô phỏng........................................................................................57
4.4. Xây dựng cấu trúc điều khiển vòng kín tốc độ từ tốc độ ước lượng dùng phương
pháp điều khiển PID..........................................................................................59
Chương 5. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN...........64
5.1. Thiết kế phần cứng...............................................................................................64
5.1.1. Thông số động cơ.........................................................................................64
5.2. Mạch thiết kế thực tế............................................................................................64
5.2.1. Mạch công suất nghịch lưu..........................................................................64
5.2.2. Mạch nguồn DC...........................................................................................65
5.2.3. Mạch lái dùng IC IR-21363.........................................................................66
5.2.4. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến dòng.............................................................66
5.2.5. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến áp..................................................................67
5.2.6. Mạch cách ly................................................................................................68
5.2.7. Mạch bảo vệ quá dòng và quá áp.................................................................68
5.3. Giới thiệu về vi điều khiển DSP TMS320F28069..............................................69
5.3.1. Tổng quan về TMS320F28069....................................................................69
5.3.1.1. Giới thiệu...............................................................................................69
5.3.1.2. Đặc điểm cơ bản TMS320F28069........................................................69
5.3.2. Sơ đồ chân và không gian nhớ của TMS320F28069..................................71

5.4. Giới thiệu về phần mềm Code Composer Studio 6.0..........................................72
5.5. Mô hình................................................................................................................74

HVTH: Lưu Thiện Quang


vi
Báo cáo luận văn

5.6. Kết quả chạy thực nghiệm và đánh giá................................................................76
5.6.1. Dạng sóng chung ở ngõ ra bộ biến tần........................................................76
5.6.2. Kết quả khi ước lượng tốc độ dùng phương pháp MRAS..........................78
5.6.3. Kết quả khi điều khiển vòng kín tốc độ PID với tốc độ ước lượng MRAS80
KẾT LUẬN.....................................................................................................................83
KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU..........................................................................84
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................85
PHỤ LỤC........................................................................................................................87

HVTH: Lưu Thiện Quang


vii
Báo cáo luận văn

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ACIM: AC Induction Motor
DTC : Direct Torque Control
FOC: Field Orientated Control
MRAS: Model Reference Adaptive System

SPWM: Sin Pulse Width Modulation
SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation
PID: Proportional Integral Derivative

HVTH: Lưu Thiện Quang


viii
Báo cáo luận văn

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Trạng thái đóng cắt, điện áp pha, điện áp dây................................................27
Bảng 2.2: Bảng tóm tắt thời gian chuyển mạch của các sector......................................35
Bảng 3.3: Bảng đặc trưng của Ki, Kp ,Kd......................................................................48

HVTH: Lưu Thiện Quang


ix
Báo cáo luận văn

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Cấu tạo bên trong động cơ KĐB.......................................................................6
Hình 2.2: Hệ trục tọa độ tĩnh...........................................................................................12
Hình 2.3: Mạch tương đương của động cơ ACIM..........................................................13
Hình 2.4: Biến tần gồm 3 khâu cơ bản: khâu chỉnh lưu, DC bus và nghịch lưu............17
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa mômem và điện áp theo tần số..........................................23
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lí mạch nghich lưu 1 pha..........................................................23
Hình 2.7: Dạng sóng điều chế Sin PWM........................................................................24
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí bộ nghịch lưu PWM 6 khóa IGBT.......................................25

Hình 2.9: Các trạng thái của các vector điện áp (V0 đến V7)........................................26
Hình 2.10: Hình vẽ so sánh điện áp điều khiển tuyến tính giữa SVPWM và SPWM...28
Hình 2.11: Mối quan hệ giữa hệ tọa độ abc và hệ tọa độ dq..........................................28
Hình 2.12: Trạng thái của các vector và sector...............................................................30
Hình 2.13: Vd, Vq, Vref ,trong hệ tọa độ dq...................................................................31
Hình 2.14: Hình biểu diễn vector Vref trong sector 1....................................................33
Hình 2.15: Giản đồ đóng cắt ở các sector.......................................................................34
Hình 3.16: Mô hình ước lượng tốc độ từ phương trình trạng thái..................................38
Hình 3.17: Mô hình ước lượng MRAS tổng quát...........................................................39
Hình 3.18: Sơ đồ khối cho sự ước lượng tốc độ bởi kỹ thuật MRAS............................40
Hình 3.19: Mô hình sai số ngõ ra....................................................................................43
Hình 3.20: Mô hình ước lượng tốc độ thích nghi tổng quát...........................................44
Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý bộ ước lượng tốc độ MRAS...............................................45
HVTH: Lưu Thiện Quang


x
Báo cáo luận văn

Hình 3.22: Sơ đồ giải thuật ước lượng MRAS................................................................46
Hình 3.23: Sơ đồ khối bộ PID.........................................................................................48
Hình 4.24: Giao diện của phần mềm PSIM....................................................................52
Hình 4.25: Sơ đồ ước lượng tốc độ từ phương trình trạng thái......................................52
Hình 4.26: Mô hình mô phỏng thuật toán ước lượng trong Psim...................................53
Hình 4.27: Thông số động cơ trong Psim.......................................................................54
Hình 4.28: Sóng điện áp pha và phóng to.......................................................................54
Hình 4.29: Sóng dòng điện pha và phóng to...................................................................55
Hình 4.30: Tốc độ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và sai số ở 900rpm.....55
Hình 4.31: Sơ đồ tổng thể................................................................................................56
Hình 4.32: Mô hình mô phỏng thuật toán ước lượng trong Psim...................................56

Hình 4.33: Sóng điện áp pha và phóng to.......................................................................57
Hình 4.34: Sóng dòng điện pha và phóng to...................................................................57
Hình 4.35: Tốc độ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và sai số ở 900rpm.....58
Hình 4.36: Tốc độ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và sai số ở 1200rpm...58
Hình 4.37: Sơ đồ ước lượng kết hợp bộ điều khiển tốc độ PID.....................................59
Hình 4.38: Mô hình mô phỏng thuật toán PID trong Psim.............................................60
Hình 4.39: Dạng sóng điện áp pha và phóng lớn...........................................................60
Hình 4.40: Dạng sóng dòng điện pha và phóng lớn........................................................61
Hình 4.41:Tốc dộ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và sai số đầu vào PID. 61
Hình 4.42: Sai số giữa tốc độ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và đáp ướng
tần số đầu ra PID..............................................................................................................61
Hình 4.43: Tốc dộ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và sai số đầu vào PID 62
HVTH: Lưu Thiện Quang


xi
Báo cáo luận văn

Hình 4.44: Sai số giữa tốc độ ước lượng (nul), tốc độ thực tế (n_encoder) và đáp ướng
tần số đầu ra PID..............................................................................................................62
Hình 5.45: Mạch công suất..............................................................................................64
Hình 5.46: Mạch nguồn một chiều (DC).........................................................................65
Hình 5.47: Mạch lái.........................................................................................................66
Hình 5.48: Mạch xử lí tín hiệu cảm biến dòng................................................................67
Hình 5.49: Mạch cảm biến điện áp..................................................................................67
Hình 5.50: Mạch cách ly..................................................................................................68
Hình 5.51: Mạch bảo vệ quá dòng và quá áp..................................................................69
Hình 5.52: Sơ đồ bố trí 80 chân của vi xử lí tín hiệu số TMS320F28069.....................71
Hình 5.53: Sơ đồ bố trí khối cấu trúc của TMS320F28069............................................72
Hình 5.54: Giao diện chương trình CCS v6.0.................................................................74

Hình 5.55: Mô hình tổng thể...........................................................................................74
Hình 5.56: Mạch động lực và điều khiển........................................................................75
Hình 5.57: Mạch động lực...............................................................................................75
Hình 5.58: Mạch điều khiển............................................................................................76
Hình 5.59: Điện áp pha, dây ngõ ra ở tần số 20Hz.........................................................76
Hình 5.60: Điện áp pha, dây ngõ ra ở tần số 50Hz.........................................................77
Hình 5.61: Dòng điện ngõ ra ở 20Hz và 50Hz................................................................77
Hình 5.62: Tốc độ ước lượng MRAS thực tế..................................................................78
Hình 5.63: Tốc độ ước đo thực tế từ Tachometer...........................................................78
Hình 5.64: Tần số đặt tương ứng 40.5Hz........................................................................79
Hình 5.65: Sai số đầu vào của khâu hiệu chỉnh PI..........................................................80
HVTH: Lưu Thiện Quang


xii
Báo cáo luận văn

Hình 5.66: Dạng sóng tần số đáp ứng tại tốc độ đặt 910rpm..........................................81
Hình 5.67: Đáp ứng tốc độ ước lượng động cơ tại tốc độ đặt 910 rpm..........................81
Hình 5.68: Sai số giữ tốc độ đặt và tốc độ ước lượng.....................................................82

HVTH: Lưu Thiện Quang


MỞ ĐẦU
 Đặt vấn đề
Ngày nay, động cơ điện là một phần quan trọng trong việc giải quyết các bài
toán truyền động để phục vụ sản xuất và đời sống sinh hoạt. Nhất là trong công nghiệp,
các chuyển động phức tạp chính xác đó là nhiệm vụ chính của hệ thống truyền động.
Động cơ không đồng bộ (ACIM) được sử dụng rộng rãi thay cho các động cơ khác vì

nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền và kích
thước gọn nhẹ. Nhược điểm là đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các
phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ
điện một chiều.
Nhưng với việc phát triển của các lý thuyết điều khiển, truyền động cộng
với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suất nên đã
hạn chế được nhược điểm trên, đưa động cơ không đồng bộ trở thành phổ biến.
Để đạt được hiệu suất cao, độ chính xác trong các phương pháp điều khiển động
cơ ACIM, thông tin vị trí, tốc độ rotor đưa về phải chính xác bằng cách dùng bộ mã
hóa vòng quay encoder. Tuy nhiên, việc sử dụng cảm biến này trong thực tế làm tăng
chi phí, kích thước, trọng lượng, hệ thống dây điện phức tạp, làm ảnh hưởng hệ thống
cơ khí và làm giảm độ tin cậy của hệ thống điều khiển ACIM.
Với sự phát triển công nghệ điện tử thì encoder có thể thay thế bằng các mạch
đo dòng điện và điện áp trên cuộn dây stator của động cơ để tính toán ra vị trí, tốc độ
của rotor. Đây là phương pháp điều khiển chính xác vị trí, tốc độ động cơ ACIM
không dùng cảm biến. Từ thông stator được ước lượng bằng cách đo các dòng điện,
điện áp stator là tham số của máy điện cần biết trước.
Nhằm giải quyết vấn đề cốt lõi là “Nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm bộ biến
tần 3 pha không dùng cảm biến tốc độ” để phục vụ cho nhu cầu điều khiển tốc độ động
cơ ACIM 3 pha có khả năng thay đổi tốc độ trơn và mịn, học viên chọn đề tài “ước


lượng tốc độ dùng phương pháp thích nghi MRAS để ổn định tốc độ động cơ
không đồng bộ trong điều kiện tối ưu cảm biến” làm đề tài cho luận văn thạc sĩ.
 Mục tiêu đề tài
- Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha, các phương pháp điều khiển tốc độ
động cơ không đồng bộ 3 pha.
- So sánh ước lượng tốc độ dùng phương pháp tổng hợp trực tiếp từ phương
trình trạng thái và thích nghi MRAS.
- Phát triển một hệ thống điều khiển không dùng cảm biến dùng phương pháp

thích nghi MRAS với hiệu suất cao, giá thành thấp.
 Đối tượng nghiên cứu
-

Động cơ không đồng bộ ba pha.

-

Bộ biến tần nguồn áp

-

Phương pháp ước lượng thích nghi MRAS.

 Phạm vi nghiên cứu
-

Ước lượng tốc độ dùng phương pháp tổng hợp trực tiếp từ phương trình
trạng thái và thích nghi MRAS.

-

Xây dựng và mô phỏng dùng phần mềm PSIM.

-

Thi công bộ biến tần nguồn áp ba pha.

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học

-

Sử dụng phương pháp ước lượng tốc độ thích nghi MRAS


-

So sánh, đưa ra nhận xét giữa hai phương pháp ước lượng tốc độ: tổng hợp
trực tiếp từ phương trình trạng thái và thích nghi MRAS.

 Ý nghĩa thực tiễn
-

Góp phần xây dựng giải pháp nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cho việc
điều khiển các hệ thống truyền động điện trong công nghiệp sử dụng động
cơ không đồng bộ ba pha.

-

Làm chủ công nghệ biến tần không sử dụng cảm biến tốc độ.


Chương 1. TỔNG QUAN
Với sự hiệu quả và phổ biến của động cơ ACIM, nhiều giải thuật điều khiển
động cơ không đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động
điện như:
- Phương pháp điều khiển vô hướng (V/f = hằng số)
- Phương pháp điều khiển vector:
+ Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control – DTC).
+ Điều khiển tựa theo từ thông (Field Orientated Control – FOC).

+ Điều khiển không dùng cảm biến tốc độ (Sensorless).
Với phương pháp ước lượng tốc độ động cơ, một số tác giả đã nghiên cứu như
sau: S. M. Mousavi Gazafroodi (năm 2014) [11] nghiên cứu lý thuyết ước lượng tốc độ
động cơ dùng phương pháp MRAS cơ bản, bài báo đã nêu ra phương pháp ước lượng
MRAS cơ bản và trong hệ trục toạ độ từ thông rotor, chưa kiểm chứng qua thực
nghiệm; M.AnkaRao (năm 2014) [12], tác giả đã so sánh phương pháp ước lượng tốc
độ trực tiếp từ phương trình trạng thái và phương pháp ước lượng dùng phương pháp
MRAS thông qua mô phỏng. Trong nước có bài báo của TS.Trần Thanh Vũ (2015), đại
học GTVT.TPHCM nghiên cứu mô phỏng thuật toán ước lượng trên Psim, luận văn
cao học của Lê Công Tuấn (2012), đại học Đà Nẵng, nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng
mạng Nơron trong ước lượng từ thông. Nhìn chung cho đến nay chưa có công trình
nghiên cứu có tính thực nghiệm, đầy đủ đối với phương pháp này.
Với những đánh giá chung như trên, luận văn tập trung vào vấn đề nghiên cứu
ước lượng tốc độ sử dụng phương pháp thích nghi MRAS, so sánh với phương pháp
ước lượng trực tiếp từ phương trình trạng thái để đưa ra nhận xét về tính ưu việt của
phương pháp thích nghi MRAS trên mô phỏng. Xây dựng một mô hình thực nghiệm
đầy đủ về phương pháp ước lượng MRAS dựa trên nền tảng bộ biến tần nguồn áp và vi
điều khiển DSP TMS320F28069.
Phương pháp ước lượng tốc độ đề xuất có thể kết hợp với tất cả các phương
pháp điều khiển động cơ ACIM nêu trên để tạo thành một hệ thống điều khiển động cơ


ACIM tin cậy, giá thành thấp. Trong luận văn tác giả sẽ sử dụng phương pháp điều
khiển vô hướng (V/f = hằng số) để thực hiện.


Chương 2. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.1. Tổng quan về động cơ 3 pha ACIM
Động cơ không đồng bộ (ACIM), đặc biệt là động cơ không đồng bộ lồng sóc

có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC, như không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin
cậy cao, giá thành rẻ và có khả năng làm việc ở môi trường độc hại hoặc có khả năng
cháy nổ. Do đó, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hơn
các loại động cơ khác.
Tuy nhiên cho đến gần đây, phần lớn các động cơ không đồng bộ được sử dụng
trong các ứng dụng với tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ trước đây thường đắt hoặc có hiệu suất kém.
Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi
xử lý, hiện nay những bộ điều khiển động cơ không đồng bộ đã được chế tạo với đáp
ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển động cơ DC trong rất nhiều ứng
dụng. Dự kiến trong tương lai gần, động cơ không đồng bộ sẽ được sử dụng rộng
rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ.
2.1.1. Cấu tạo

Hình 2.1: Cấu tạo bên trong động cơ KĐB


Phần tĩnh: Stator có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn.
-

Vỏ máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn
từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn
(1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội
máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
-

Lõi sắt:

Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm
tổn hao: lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.
-

Dây quấn:

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi
sắt.
Phần quay (rotor): rotor có 2 loại chính là rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu
lòng sóc.
-

Rotor kiểu dây quấn:
Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rotor

thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt
cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc
điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch
điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công
suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.


Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường
khắc nghiệt, dễ cháy nổ …
-

Rotor kiểu lồng sóc:
Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của

lõi sắt rotor đặt vào thanh dãn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt

lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà
người ta quen gọi là lồng sóc.
Khe hở không khí:
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ
rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số
công suất của máy cao hơn.
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ 3 pha ACIM
Khi từ trường stator quay (tốc độ n1 vòng/phút) làm cho đường sức từ quay cắt
qua các cạnh của khung dây rotor cảm ứng nên sức điện động E trên khung dây. Sức
điện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây. Vì dòng điện I nằm trong từ
trường nên khi từ trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F. Lực điện
từ này làm khung dây chuyển động với tốc độ n vòng/phút.
Vì n < n1 nên gọi là không đồng bộ.
Động cơ không đồng bộ ba pha có dây quấn ba pha phía stator, roto của động
cơ không đồng bộ là một bộ dây quấn ba pha có cùng số cực trên lõi thép của rotor.
Khi Stator được cung cấp bởi nguồn ba pha cân bằng với tần số “f”, từ trường
quay với tốc độ n1 sẽ được tạo ra.


Quan hệ giữa từ trường quay và tần số f của nguồn ba pha là :
ωdb =

2π f ω1
= (rad / s)
p
p

(2.1)

Trong đó :

-

p là số đôi cực.

-

ω1 là tốc độ góc của nguồn ba pha cung cấp cho động cơ: ω1 = 2π f .

Nếu tốc độ quay của rotor là ω, độ sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stator và
ωsl = ωdb − ω = s.ωdb

rotor là:

(2.2)

Trong đó:
-

ωsl gọi là tốc độ trượt.

-

Thông số s gọi là độ trượt, ta có:
s=

ωdb − ω
ωdb

(2.3)

Vì có tốc độ tương đối giữa rotor và từ trường quay stator, điện áp cảm ứng ba
pha sẽ được sinh ra trong rotor. Tần số của điện áp này sẽ tỉ lệ với độ trượt theo công
thức:
ωr = s.ω1 (rad / s )

(2.4)

Moment động cơ sinh ra:
M =−

π 2
p φm Fm sin δ r
2

(2.5)


Trong đó :
-

φm là từ thông trên một cực (Wb).

-

Fm là giá trị đỉnh của sức từ động rotor.

- δ r là góc lệch pha giữa sức từ động rotor và sức từ động khe hở không khí.
2.1.3. Ứng dụng của động cơ ACIM
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ
điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ

không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong đời sống hàng ngày, động cơ
không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong công
nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống.
2.2. Vector không gian của các đại lượng 3 pha
2.2.1. Biểu diễn véc tơ không gian của các đại lượng ba pha
Từ phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator trong hệ toạ độ ba pha abc:
dψ sa (t )
dt
dψ sb (t )
usb (t ) = Rs isb (t ) +
dt
dψ sc (t )
usc (t ) = Rs isc (t ) +
dt
ψ
ψ
ψ
Với: sa , sb , sc là từ thông móc vòng stator pha a, b, c.
usa (t ) = Rs isa (t ) +

(2.6)

Biểu diễn điện áp theo dạng vector không gian như sau:
uu
r 2
0
0
uss = usa (t ) + usb (t )e j120 + usc (t )e j 240 

3

(2.7)


uu
r

Với: uss là véc tơ không gian điện áp stator
Phương trình điện áp, dòng điện, từ thông của mạch stator trên hệ quy chiếu
stator:
uur
uu
r
ur
dψ ss (t )
s
s
us (t ) = Rs is (t ) +
dt
ur 2
0
0
iss = isa (t ) + isb (t )e j120 + isc (t )e j 240 


3
uur 2
0
0
ψ ss = ψ sa (t ) +ψ sb (t )e j120 +ψ sc (t )e j 240 



3

Với:

(2.8)

uu
r
uss là véc tơ không gian điện áp stator
ur
iss là véc tơ không gian dòng điện stator
uur
ψ ss là véc tơ không gian từ thông móc vòng stator

Ghi chú:
-

Ký hiệu chữ nhỏ trên đầu nếu “s” là đại lượng được quan sát trong hệ qui
chiếu stator, “r” là quan sát trong hệ qui chiếu rotor.

-

Ký hiệu chữ nhỏ phía dưới chữ thứ nhất nếu “s” là đại lượng của stator, “r”
là đại lượng của rotor, chữ thứ hai là chỉ trục toạ độ.

-

u, i, ψ lần lượt là điện áp, dòng điện, từ thông móc vòng.

Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch rotor. Khi quan sát trên hệ qui
chiếu rotor (rotor ngắn mạch):


uur
r
uu
r
ur
d
ψ
r (t )
urr (t ) = 0 = Rirr (t ) +
dt

(2.9)

Như vậy với đại lượng ba pha xoay chiều tuần hoàn ta có thể biểu diễn dưới
dạng véc tơ không gian. Trong động cơ không đồng bộ ba pha ta có véc tơ không gian
của dòng điện, từ thông.
2.2.2. Hệ trục tọa độ tĩnh αβ
Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|u s|) quay trên
mặt phẳng phức với tốc độ góc ω s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một
góc ωst. Đặt tên cho trục thực là α và trục ảo là β, vector không gian điện áp stator có
thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (u sα) và ảo (usβ) là hai thành phần của vector.
Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ
Ta có mô hình hình học giữa các hệ toạ độ như sau:

Hình 2.2: Hệ trục tọa độ tĩnh αβ

2.2.3. Chuyển đổi tọa độ từ abc → αβ ; αβ → abc
- Chuyển đổi đại lượng từ hệ abc sang αβ: dựa vào các phép tính hình học ta
có các công thức chuyển đổi điện áp như sau:
usα = usa

1

usβ = 3 (usa + 2usb )


(2.10)

- Chuyển đổi đại lượng từ hệ αβ sang abc: dựa vào các phép tính hình học
tương tự ta có các công thức chuyển đổi điện áp như sau:

usa = usα

1
3

us β
usb = − u sα +
2
2


1
3

u sβ
usc = − usα −

2
2

(2.11)

- Cách chuyển tương tự với các đại lượng khác như dòng điện, từ thông…
2.3. Mô hình của động cơ 3 pha ACIM
2.3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ
Mạch tương đương một pha của động cơ ACIM:

Hình 2.3: Mạch tương đương của động cơ ACIM