ĐIỀU KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ BA PHA BẰNG BIẾN tần

M CL C
Trang t a

Trang

Xác nhận c a cán b h ớng dẫn .........................................................................
Quyết định giao đề tài ..........................................................................................
Lý lịch khoa học .................................................................................................. i
L i cam đoan...................................................................................................... ii
L i c m t ..........................................................................................................iii
Tóm tắt .............................................................................................................. iv
M c

l c.............................................................................................................. vi

Danh sách các chữ viết tắt................................................................................. ix
Danh sách các hình............................................................................................. x
Danh sách các b ng .........................................................................................xiii
Ch

ng 1 T NG QUAN ................................................................................. 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u, các kết qu nghiên c u
trong và ngoài n ớc........................................................................................... 1
1.1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u .................................................. 1
1.1.2 M t số kết qu nghiên c u trong và ngoài n ớc ....................................... 2
1.2 M c đích c a đề tài nghiên c u ................................................................... 4
1.3 Nhi m v và giới h n c a đề tài.................................................................. 3
1.4 Ph ơng pháp nghiên c u............................................................................. 4
Ch

ng 2: C

S

LÝ THUY T C A Đ NG C

KHÔNG Đ NG B

BA PHA RÔTO L NG SÓC .......................................................................... 5
2.1 Tổng quan về đ ng cơ không đồng b ba pha ............................................ 5
2.1.1 C u t o ...................................................................................................... 5
2.1.2 Nguyên lý ho t đ ng ................................................................................. 5
2.1.3 M máy đ ng cơ không đồng b ba pha................................................... 7
2.1.4 Đặc tính cơ c a đ ng cơ đi n không đồng b ba pha ............................... 8

viii


2.1.5 nh h

ng c a tần số nguồn đến đặc tính cơ ......................................... 10

2.1.6 ng d ng c a đ ng cơ không đồng b ba pha........................................ 11
2.2 Các v n đề liên quan đến điều khiển đ ng cơ............................................ 12
2.2.1 Các yêu cầu đặt ra đối với vi c điều khiển đ ng cơ không đồng b ba
pha .................................................................................................................... 12
2.2.2 Các ph ơng pháp điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b ba pha ..... 14
2.2.3 Điều khiển tốc đ đ ng cơ bằng ph ơng pháp thay đổi tần số nguồn .... 14
2.2.4 Ph ơng pháp điều khiển U/f = const....................................................... 15
2.3 Biến tần ..................................................................................................... 18

2.3.1 Phân lo i biến tần .................................................................................... 18
2.3.1.1 Biến tần trực tiếp .................................................................................. 19
2.3.1.2 Biến tần gián tiếp ................................................................................. 19
2.3.2 C u trúc cơ b n c a m t biến tần ........................................................... 20
2.3.3 Ph ơng th c điều khiển đ r ng xung (PWM) ....................................... 22
Ch

ng 3: ĐI U KHI N Đ NG C

B NG BI N T N D A TRÊN C

KHÔNG Đ NG B
S

PH

BA PHA

NG PHÁP ĐI U CH

VECTOR KHÔNG GIAN ............................................................................. 28
3.1 Ph ơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM)............................... 28
3.2 Thành lập vector không gian ...................................................................... 28
3.2.1 Tính toán th i gian đóng ngắt ................................................................. 32
3.2.2 Kỹ thuật điều chế vector không gian ...................................................... 35
3.2.3 Gian đồ đóng cắt các khóa để t o ra vector Vs trong từng sector .......... 35
Ch
C

ng 4: MÔ PH NG H TH NG BI N T N ĐI U KHI N Đ NG

KHÔNG Đ NG B

3 PHA ................................................................... 38

4.1 Sơ đồ tổng quan h thống biến tần điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b
3 pha ............................................................................................................ 38
4.2 Sơ đồ tổng quan m ch công su t................................................................ 40
4.3 Sơ đồ triển khai m ch xung kích................................................................ 43

ix


4.3.1 Sơ đồ m ch nguồn ................................................................................... 44
4.3.2 Sơ đồ m ch lái ......................................................................................... 45
4.4 Sơ đồ m ch encoder ................................................................................... 47
4.5 Sơ đồ m ch c m biến dòng ........................................................................ 48
Ch

ng 5: TH C NGHI M H

Đ NG C

KHÔNG Đ NG B

TH NG BI N T N ĐI U KHI N

3 PHA ...................................................... 50

5.1 Mô phỏng biến tần điều khiểu tốc đ đ ng cơ không đồng b 3 pha ........ 50
5.1.1 Mô hình mô phỏng c a biến tần.............................................................. 50

5.1.1.1 Khối điều khiển .................................................................................... 50
5.1.1.2 Khối công su t...................................................................................... 54
5.1.1.3 Khối t i ................................................................................................. 57
5.1.2 Kết qu mô phỏng c a biến tần............................................................... 58
5.2 Thực nghi m biến tần điều khiểu tốc đ đ ng cơ không đồng b 3 pha ... 61
5.2.1 Mô hình nhúng c a biến tần .................................................................... 61
Ch

ng 6: K T LU N.................................................................................. 73

6.1 Kết luận ...................................................................................................... 73
6.2 H ớng phát triển c a đề tài ........................................................................ 73
TÀI LI U THAM KH O................................................................................ 74

x


DANH SÁCH CÁC CHỮ VI T T T
AC

Alternating Current

DC

Direct Current

ADC

Analog-to-Digital Converter

DSP

Digital Signal Processor

I/O

Input/Output

IGBT

Insulated-Gate Bipolar Transistor

GTO

Gate-Turn-Off thyristor

PI

Proportional-Integral

PWM

Pulse Width Modulation

SVPWM

Space Vector Pulse Width Modulation

THD

Total Harmonic Distortion

CPWM

Carrier Based Pulse Width Modulation

IEC

International Electrotechnical Commission

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Nguyên lý làm vi c c a đ ng cơ không đồng b ba pha. .................. 6
Hình 2.2: Sơ đồ thay thế m t pha đ ng cơ không đ ng b ba pha. ................... 8
Hình 2.3: Đ

ng đặc tính cơ c a đ ng cơ không đồng b ba pha..................... 9

Hình 2.4: Đặc tính cơ c a đ ng cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết h p với
thay đổi đi n áp ................................................................................................ 11
Hình 2.5: Đồ thị biểu thị mối quan h giữa momen và đi n áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const ................................................................................. 18
Hình 2.6: Sơ đồ c u trúc c a biến tần gián tiếp .............................................. 19
Hình 2.7: C u trúc cơ b n c a m t biến tần..................................................... 21
Hình 2.8: D ng sóng đầu ra theo ph ơng pháp điều chế đ r ng xung........... 23
Hình 2.9: Nguyên lý điều chế SPWM m t pha................................................ 24
Hình 2.10: Nghịch l u áp ba pha ..................................................................... 24
Hình 2.11: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha ................................................ 25

Hình 3.1: biểu di n vectơ không gian trong h tọa đ oxy .............................. 28
Hình 3.2: Các vectơ không gian từ 1 đến 6...................................................... 31
Hình 3.3: Tr ng thái đóng ngắt c a các van .................................................... 32
Hình 3.4: Vectơ không gian Vr trong vùng 1 .................................................. 32
Hình 3.5: Vectơ không gian Vr trong vùng b t kỳ .......................................... 34
Hình 3.6: Gi n đồ đóng cắt linh ki n ............................................................... 35
Hình 3.7: Vectơ Vs trong các vùng từ 0-6 ....................................................... 36
Hình 4.1: Sơ đồ b biến đổi công su t ............................................................. 38
Hình 4.2: sơ đồ và d ng sóng đi n áp chính l u cầu1 pha............................... 39
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý m ch công su t ..................................................... 41
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý IGBT FGA15N120ANTD .................................... 41
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý m ch nghịch l u.................................................... 42
Hình 4.6: Thi công m ch nghịch l u ............................................................... 43

xii


Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan m ch t o xung kích ............................................... 44
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý m ch nguồn........................................................... 45
Hình 4.9: Thi công m ch nguồn....................................................................... 45
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý m ch lái............................................................... 46
Hình 4.11: Thi công m ch lái........................................................................... 46
Hình 4.12: Encoder 256 xung/vòng ................................................................. 47
Hình 4.13 : Sơ đồ nguyên lý m ch xử lý tín hi u encoder............................... 48
Hình 4.14 : Sơ đồ nguyên lý m ch c m biến dòng .......................................... 48
Hình 4.15: Thi công m ch c m biến dòng ....................................................... 49
Hình 5.1:Mô hình mô phỏng tổng quan c a biến tần....................................... 50
Hình 5.2: Sơ đồ tổng quan khối điểu khiển vòng h ....................................... 51
Hình 5.3: Sơ đồ khối SVPWM 2_level và cửa sổ thông số ............................. 52
Hình 5.4: Sơ đồ tổng quan khối điều khiển vòng kín ...................................... 53

Hình 5.5: Sơ đồ tổng quan khối PID ................................................................ 54
Hình 5.6: Sơ đồ tổng quan khối công su t ....................................................... 54
Hình 5.7: Cài đặt thông số cho khối nguồn AC ............................................... 55
Hình 5.8: Cài đặt thông số cho khối chỉnh l u ................................................ 56
Hình 5.9: Cài đặt thông số cho t C ................................................................. 56
Hình 5.10: Cài đặt thông số cho khối IGBT inverter ....................................... 57
Hình 5.11: Sơ đồ khối đ ng cơ không đồng b 3 pha ..................................... 57
Hình 5.12: Cài đặt thông số cho khối đ ng cơ không đồng b 3 pha .............. 58
Hình 5.13: Tốc đ , moment và dòng đi n c a đ ng cơ

chế đ vòng h ...... 59

Hình 5.14: D ng sóng mô phỏng tốc đ , moment và dòng đi n

chế đ vòng h

...................................................................................................................... 60
Hình 5.15: Phân tích phổ dòng đi n................................................................. 60
Hình 5.16: D ng sóng mô phỏng đi n áp dây.................................................. 61
Hình 5.17: Mô hình lập trình nhúng c a biến tần ............................................ 61
Hình 5.18: Sơ đồ bên trong khối rpm_rampUp ............................................... 62

xii


Hình 5.19:Thông số bên trong khối rpm_rampUp........................................... 63
Hình 5.20: Thiết lập thông số khối eQEP ........................................................ 64
Hình 5.21: Sơ đồ bên trong khối SVPWM ...................................................... 66
Hình 5.22: Cửa sổ khai báo ePWM ................................................................. 66
Hình 5.23: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông số

...................................................................................................................... 67
Hình 5.24: Kết qu thực nghi m. Tốc đ đặt n = 150 vòng/ phút .................. 68
Hình 5.25: Kết qu thực nghi m. Tốc đ đặt n = 500 vòng/ phút .................. 69
Hình 5.26: Kết qu thực nghi m. Tốc đ đặt n = 1450 vòng/ phút ................ 70
Hình 5.27: Đồ thị đáp ng đi n áp và tần số.................................................... 71
Hình 5.28: Dòng đi n stator c a đ ng cơ khi đặt tốc đ n = 1450 vòng/phút . 72

xii


DANH SÁCH CÁC B NG
B ng

Trang

B ng 3.1: Giá trị đi n áp các tr ng thái đóng ngắt và vectơ không gian
t ơng ng ..................................................................................................... 32
B ng 5.1: B ng số li u mô phỏng c a b biến tần ...................................... 58
B ng 5.2: Kết qu mô phỏng vòng h và vòng kín c a b biến tần............ 59
B ng 5.3: B ng số li u thực nghi m c a b biến tần .................................. 71
B ng 5.4: Kết qu thực nghi m vòng h và vòng kín c a b biến tần........ 71

xiii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

CH

NG 1: T NG QUAN

1.1 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên c u và k t qu nghiên c u trong và ngoài
n ớc
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Kỹ thuật điện tử chỉ đ ợc ng dụng trong những mạch điều khiển, đo l

ng, khống

chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp vào khoảng những
năm 70 – 80 c a thế kỷ XX. Các kỹ thuật đư không ngừng thay đổi và phát triển cho
đến những năm 90 c a thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ng dụng khá rộng rưi và thành
công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho
những phụ tải, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp…Với u điểm là
kích th ớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, khả năng về công suất, điện áp, dòng
điện và độ tin cậy ngày càng đ ợc cải tiến dần. Và Các thiết bị biến đổi công suất đư
giúp nâng cao hiệu quả quá trình biến đổi năng l ợng điện đồng th i luôn đ ợc cải
tiến và hoàn thiện để đáp

ng yêu cầu về chất l ợng điện năng. Ngoài các

ng dụng

truyền thống nh điều khiển động cơ điện, các bộ nguồn công suất, phạm vi
dụng c a bộ biến đổi công suất ngày càng đ ợc m

ng

rộng nh trong lĩnh vực tự động

hóa công nghiệp, l u trữ năng l ợng, và còn đ ợc ng dụng trong truyền tải điện.
Để khắc phục các vấn đề sự hiệu chỉnh hệ số công suất, méo dạng sóng hài… thì đư
có nhiều giải pháp đ ợc để ra bao gồm: Các bộ lọc thụ động, tích cực, các bộ tụ bù…
nhằm cưi thiện chất l ợng điện năng. Các nghiên c u bộ biến đổi tr ớc đây cho thấy
bên cạnh các ch c năng cơ bản c a sự chuyển đổi công suất thì có một số nh ợc điểm
nh hệ số công suất thấp, năng l ợng chỉ chảy theo một chiều và có nhiều sóng hài bậc
cao. Do đó các bộ biến đổi DC/AC PWM (pulse width modulation) có thể khắc phục
đ ợc đ ợc các nh ợc điểm trên để bắt kiệp với các yêu cầu đặt ra trong tình hình mới,
nó có nhiều ph ơng pháp điều khiển. Các ph ơng pháp điều khiển cũ và mới bao hàm
một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc c a l ợc đồ điều khiển c a các bộ biến đổi.
các bộ biến đổi năng l ợng điện này các van chuyển mạch nguồn đ ợc điều khiển nh

HVTH: Đỗ Văn Thành

1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

các transistor l ỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), các thyristor tắt m

bằng cực cửa

(GTO), hoặc các thyristor điều khiển có cực cửa kết hợp (IGCT) đ ợc ch a trong 2
mạch công suất c a bộ chỉnh l u và nghịch để tích cực thay đổi dạng sóng c a dòng
điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng hài và do đó chúng cải thiện đ ợc hệ số
công suất.

Nghich l u 2 bậc đư đ ợc nghiên c u rộng rưi. Nó đ ợc ng dụng trong các hệ
truyền động c a các dây chuyền sản suất hiện đại, động cơ không đồng bộ 3 pha rôto
lồng sóc đang đ ợc sử dụng rộng rưi b i có nhiều u điểm nh cấu trúc đơn giản, dễ
chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy và an toàn. Với sự phát triển c a lý thuyết điều
khiển và các ngành liên quan làm cho động cơ không đồng bộ 3 pha đang chiếm u
thế trong các ngành truyền động nên đề tài luận văn tốt nghiệp ắ Đi u khi n t c đ
đ ng c không đ ng b 3 pha b ng bi n t nẰ đ ợc chọn để thay thế cho các mạch
điều khiển cổ điển gây ra nhiều tổn thất trên mạch điều chỉnh. Và Matlab cũng đư
đ ợc ng dụng để nghiên c u phát triển thêm các kỹ thuật nghịch l u nhằm cải thiện
các khuyết điểm hiện tại. Kết hợp với card DSP F28355 để lập trình nhúng thì DSP có
hiệu suất rất cao, ít tổn thất công suất không phụ thuộc hoạt động c a hệ thống và nó
rất t ơng thích với Matlab.
1.1.2 M t s k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n ớc
Các bộ nghịch l u là thành phần ch yếu trong bộ biến tần.

ng dụng c a chúng

khá quan trọng và t ơng đối rộng rưi, ch yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện
động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghich l u
đ ợc dùng trong các lò cảm ng trung tần, bộ nghịch l u còn đ ợc dùng làm nguồn
xoay chiều cho các nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển
chiếu sáng và còn ng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.
Đối với trong n ớc:
- Luận văn thạc sĩ c a Nguyễn Thế Anh – Đà Nẵng “ Điều khiển m động cơ không
đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc” .

HVTH: Đỗ Văn Thành

2

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

- Luận văn thạc sĩ c a Nguyễn Thị Trung Tín – Đà Nẵng “ Điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng mạng nowrron thích nghi”
- Luận văn thạc sĩ c a Phan Thanh Hoàng Anh về “điều khiển PWM cho bộ nghịch
l u ghép 2 bậc” ().
Đối với n ớc ngoài:
- “Speed Control 3

Induction Motor Using Volts Hertz Control Method”

M.S.Aspalli1, Sunil Klshetti1 & P.V.Hunagund2 Tạp Chí Quốc Tế Về Kỹ Thuật Điện
Tử 3/2/2011
Mục tiêu c a bài báo là dùng vi xử lý dsPIC30F2010 để kiểm soát tốc độ động cơ
không đồng bộ 3 pha. Kết quả đạt đ ợc là đư điều khiển đ ợc động cơ có tần số từ 13
Hz đến 50Hz với tốc độ từ 400 rpm đến 1500 rpm cho giá trị khác nhau c a tải bằng
ph ơng pháp V/f.
- Bài báo “V/f CONTROL OF INDUCTION MOTOR DRIVE” Devraj Jee, Nikhar
Patel 05/2013.
Bài báo đư điều khiển đ ợc tốc độ động cơ theo ph ơng pháp V/f vòng h và V/f
vòng kín: Việc điều khiển đ ợc thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm MATLAB để
khảo sát động cơ, khi thay đổi tần số và điện áp cấp cho động cơ theo một tỷ lệ
không đổi thì thông l ợng từ thông khe h không khí không đổi. Kết quả đạt đ ợc là
mô-men xoắn tối đa c a động cơ vẫn không đổi trong phạm vi d ới tốc độ định m c.
1.2 M c đích c a đ tài nghiên c u
- Tìm hiểu về cấu tạo nguyên lý hoạt động và mô hình toán học c a động cơ không
đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc.

- Tìm hiểu các ph ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rôto
lồng sóc.
- Tìm hiểu lý thuyết điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc
bằng ph ơng pháp vector không gian. Từ đó xây dựng mô hình mô phỏng và thực
nghiệm để điều khiển tốc độ động cơ.

HVTH: Đỗ Văn Thành

3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

- Tổng hợp, đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
1.3 Nhi m v và giới h n c a đ tài
- Tìm hiểu bộ nghich l u 3 pha 2 bậc sử dụng ph ơng pháp PWM.
- Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc.
- Tính toán thiết kế phần c ng.
- Nghiên c u phần mềm MATLAB/Hệ thống nhúng.
- Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc theo
nguyên lý V/f.
- Thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc theo
nguyên lý V/f trên cơ s Hệ thống nhúng Card DSP TMS320F28335.
- Kết luận.
1.4 Ph

ng pháp nghiên c u

Để đáp ng các mục tiêu đề ra, tiến hành nghiên c u và giải quyết các vấn đề nh
sau:
- Thu thập và nghiên c u các tài liệu liên quan về các bộ nghịch l u 3 pha có điều
khiển, các giải thuật nghịch l u đư đ ợc công bố.
- Nghiên c u và phân tích các ph ơng trình toán học c a động cơ không đồng bộ 3
pha rôto lồng sóc.
- Nghiên c u và phân tích giải thuật đư chọn.
- Chọn ph ơng án tốt nhất nằm trong khả năng thực hiện.
- Viết ch ơng trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab.
- Lập trình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc dựa vào
Card DSP TMS320F28335.
- Nhận xét kết quả và đ a ra kết luận.

HVTH: Đỗ Văn Thành

4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

NG 2: C

CH

S

Lụ THUY T C A Đ NG C

KHÔNG Đ NG B

3 PHA RÔTO L NG SÓC

2.1 T ng quan v đ ng c không đ ng b ba pha
2.1.1 C u t o
Động cơ không đồng bộ 3 pha là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: Dây quấn
sơ cấp nhận điện áp l ới với tần số f1, dây quấn th cấp đ ợc khép kín. Dây quấn th
cấp sinh ra dòng điện nh hiện t ợng cảm ng điện từ với tần số f2 và nó là hàm c a
tốc độ góc rôto

.

Động cơ không đồng bộ đ ợc chia làm hai loại: Động cơ không đồng bộ rôto dây
quấn và động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc [2].
Đông cơ không đồng bộ rôto dây quấn là loại động cơ mà rôto có dây quấn giống
stator, dây quấn 3 pha c a rôto th

ng đấu hình sao, ba đầu cũng đ ợc nối với vành

tr ợt, đấu với mạch ngoài bằng chổi than. Nh cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện
tr phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng m máy và điều chỉnh tốc độ.
Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì trên rôto ng
đồng hay bằng nhôm và nối tắt chúng

i ta đặt các thanh dẫn bằng

hai đầu vòng ngắn mạch.

Cấu tạo gồm hai phần chính:

- Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 và đ ợc cấp điện xoay chiều 3 pha
để tạo từ tr

ng quay. Phần cảm đặt

stator và đ ợc nối sao hoặc nối tam giác.

- Phần ng cũng gồm 3 cuộn dây (đối với rôto dây quấn) và bằng sắt từ có các thanh
dẫn và vòng ngắn mạch

hai đầu đối với rôto lồng sóc.

Vì động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc có cấu tạo đơn giản và hoạt động với
độ tin cậy cao nên th

ng đ ợc sử dụng rộng rưi hơn so với động cơ không đồng bộ 3

pha rôto dây quấn.

HVTH: Đỗ Văn Thành

5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

2.1.2 Nguyên lý ho t đ ng
Nh đư biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau

1200 trong không gian thì từ tr
quay. Nếu trong từ tr

ng tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ tr

ng quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ tr

ng

ng quay sẽ

quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một s c điện động cảm ng 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 tr

ng quay lại tác

dụng vào chính dòng điện cảm ng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban
tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay c a từ tr
Tốc độ quay c a roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay c a từ tr
với tốc độ bằng tốc độ c a từ tr

ng quay thì từ tr

ng quay.

ng qua. Nếu roto quay

ng sẽ quét qua các dây quấn phần

cảm nữa nên sdd cảm ng và dòng điện cảm ng sẽ không còn, momen quay cũng
không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ tr
bị từ tr

ng và các dây dẫn roto lại

ng quét qua, dòng điện cảm ng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay

làm roto tiếp tục quay theo từ tr

ng nh ng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ tr

ng.

Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay
động cơ xoay chiều.

Hình 2.1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.

HVTH: Đỗ Văn Thành

6


Luận văn thạc sĩ
Nếu gọi tốc độ từ tr

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh
ng quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay c a

roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch t ơng tối giữa hai tốc độ
gọi là độ tr ợt s:

Từ đó ta có:
Với

f1 tần số điện áp đặt lên cuộn dây stator.
Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt đ ợc nếu không có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý t

ng hay tốc độ đồng bộ.

chế độ động cơ, độ tr ợt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ng trong cuộn dây phần ng

roto cũng là dòng điện xoay chiều

với tần số xác định b i tốc độ t ơng đối c a roto đối với từ tr

ng quay:

2.1.3 M máy đ ng c không đ ng b 3 pha
Theo yêu cầu c a sản xuất, động cơ không đồng bộ 3 pha lúc làm việc bình th

ng

phải m máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất tải và tình hình c a l ới điện
mà yêu cầu về m máy đối với động cơ cũng khác nhau. Có khi yêu cầu môment m
máy lớn có khi yêu cầu hạn dòng điện m máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu

trên đỏi hỏi động cơ điện phải có tính năng m máy thích hợp.

HVTH: Đỗ Văn Thành

7


Luận văn thạc sĩ
Trong nhiều tr

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh
ng hợp, do ph ơng pháp m máy hay do chọn động cơ điện có tính

năng m máy không thích hợp nên th

ng gây hỏng động cơ. Nên khi m máy cần chú

ý các yêu cầu sau:
- Phải có môment đ lớn để thích ng với đặc tính cơ c a tải.
- Dòng điện m máy càng nhỏ càng tốt.
- Ph ơng pháp m máy và thiết bị cần dùng phải đơn giản, tốn ít chi phí và chắc
chắn.
- Tổn hao trong quá trình m máy càng thấp càng tốt.
2.1.4 Đặc tính c c a đ ng c đi n không đ ng b ba pha
 Ph

ng trình đặc tính c

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và l ới điện là lý t

ng, nghĩa là ba pha

c a động cơ đối x ng, các thông số dây quấn nh điện tr và điện kháng không đổi,
tổng tr mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và
điện áp l ới hoàn toàn đối x ng, thì sơ đồ thay thế một pha c a động cơ nh hình vẽ
(2.2).

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không động bộ ba pha.
Trong đó:
- U1 – trị số hiệu dụng c a điện áp pha stato (V)
- Iµ , I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đư quy đổi về
stato (A)
- Xµ , X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đư
quy đổi về stato (Ω)

HVTH: Đỗ Văn Thành

8


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

- Rµ , R1, R’2 – điện tr tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đư quy
đổi về stato (Ω).
Ph ơng trình đặc tính cơ c a động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa
mômen quay và tốc độ c a động cơ có dạng:

Trong đó:

⌊

⌋

[

]

Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2
 Đ

ng đặc tính c

Với những giá trị khác nhau c a s (0 ≤ s ≤ 1), ph ơng trình cho những giá trị c a M.
Đ

ng biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM nh hình vẽ 1-4, đó là đ

ng đặc tính

cơ c a động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Hình 2.3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đ

ng đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

Giải ph ơng trình ta có:

HVTH: Đỗ Văn Thành

9


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

√
Thay vào ph ơng trình đặc tính cơ ta có:
√

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth
và Mth c a đặc tính cơ trên hình ng với dấu (+).
Đặc tính cơ c a động cơ điện xoay chiều KDB là một đ

ng cong ph c tạp có hai

đoạn AK và BK, phân b i điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và c ng. Trên đoạn
này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ng ợc lại. Do vậy động cơ làm việc trên
đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc d ơng. Trên đoạn này động cơ làm
việc không ổn định.
Trên đ

ng đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen

m máy:
(

)

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

2.1.5 nh h

ng c a t n s ngu n đ n đặc tính c

Khi thay đổi f1 thì theo (2.4) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng th i X1, X2 cũng bị
thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi c a cả độ tr ợt tới hạn sth và momen tới
hạn Mth.
Khi giảm tần số f1 xuống d ới tần số định m c f1dm thì tổng tr c a các cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng

HVTH: Đỗ Văn Thành

10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống d ới giá trị định m c cần phải đồng th i
giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:

Nh vậy Mth sẽ giữ không đổi

vùng f1 < f1dm.

vùng f1 > f1dm thì không thể tăng

điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên

vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình

ph ơng

điều

tần

số,

đồng

th i

phải

chỉnh

điện

áp

theo

quy

luật

√

để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.

Hình 2.4: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với
thay đổi điện áp
2.1.6

ng d ng c a đ ng c không đ ng b ba pha

Ngày nay các hệ thống truyền động điện đ ợc sử dụng rất rộng rưi trong các thiết
bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị
điện dân dụng…

ớc tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra đ ợc tiêu thụ b i các

hệ thống truyền động điện.
Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi đ ợc.
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 c a động cơ hầu nh không cần điều khiển trừ các

HVTH: Đỗ Văn Thành

11


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

quá trình kh i động và hưm. Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh đ ợc tốc độ
để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ
c a 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 đ ợc sử dụng rộng rưi và công cụ không thể thiếu trong quá
trình tự động hóa.
Động cơ không đồng bộ có nhiều u điểm nh sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi tr

ng độc hại hoặc

nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những u điểm này nên động cơ không đồng bộ đ ợc
sử dụng rất rộng rưi 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 th

ng đ ợc dùng làm

nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ

các nhà

máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, đ ợc dùng làm máy bơm hay máy gia
công nông sản phẩm. Trong đ i sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng
chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ng dụng nh : quạt gió, động cơ trong t lạnh,
trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển c a nền sản xuất điện khí hóa và
tự động hóa, phạm vi ng dụng c a động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rưi.
Bên cạnh đó thì nh ợc điểm c a động cơ không động bộ là so với máy điện một
chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn b i vì các thông số
c a máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo th i gian cũng nh bản chất

ph c tạp về mặt cấu trúc c a động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen c a 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 ng dụng có tốc độ không đổi do các ph ơng pháp điều khiển tr ớc đây
dùng cho máy điện th

HVTH: Đỗ Văn Thành

ng đắt và có hiệu suất kém.

12


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

2.2 Các v n đ liên quan đ n đi u khi n đ ng c
2.2.1 Các yêu c u đặt ra đ i với vi c đi u khi n đ ng c không đ ng b ba pha
Những động cơ tr ớc đây th

ng đ ợc chế tạo để làm việc với tải không đổi trong

suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc c a hệ thống thấp, một
phần đáng kể công suất đầu vào không đ ợc sử dụng hiệu quả. Hầu hết th i gian
momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu c a tải.
Khi kh i động trực tiếp từ l ới nguồn, dòng kh i động rất lớn. Điều này làm tổn
thất công suất lớn trên đ

ng truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có thể

làm hỏng lớp cách điện. Dòng kh i động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh h

ng

đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ ch yếu là dòng từ hóa, tải hầu
nh 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 nh
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 nh hơn 1, dòng
điện trong động cơ không hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất l ợng công suất
nguồn, ảnh h

ng 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 nh chất l ợng sản phẩm. Trong các ng dụng tr ớc đây các ph ơng pháp
hưm cơ đ ợc sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy
nhiên việc hưm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn.
Trong nhiều ng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ nh
quạt, máy bơm.

những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình ph ơng tốc đô, công

suất tỷ lệ với lập ph ơng c a 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

HVTH: Đỗ Văn Thành

13


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

có thể tiết kiệm đ ợc 50% công suất đầu vào. Mà điều này là không thể thực hiện
đ ợc đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp l ới.
Khi l ới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong
động cơ ch a nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong
động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ c a động cơ. Momen sinh ra b i động cơ bị gợn sóng.
Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động
cảm c a động cơ. Nh ng

tần số cao b i tính chất

tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh h

các vòng đồng c a roto. Động cơ làm việc

ng đến

l ới nguồn không ổn định nếu không

đ ợc bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ c a động cơ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh. Sự
phát triển c a các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đ i những

bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển c a kỹ thuật tính toán đư
dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt đ ợc chất l ợng cao.
2.2.2 Các ph

ng pháp đi u khi n t c đ đ ng c không đ ng b ba pha

Có nhiều ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nh :
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện tr 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 bưo hòa
- Điều chỉnh bằng ph ơng pháp nói tầng
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Trong các phuơng pháp trên thì ph ơng pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số
cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất l ợng cao nhất, đạt đến m c độ
t ơng đ ơng nh điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần
ng. 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 ph ơng pháp điều chỉnh động cơ
không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1.

HVTH: Đỗ Văn Thành

14


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

2.2.3 Đi u khi n t c đ đ ng c b ng ph

ng pháp thay đ i t n s ngu n

Nh đư biết tốc độ đồng bộ c a động cơ phụ thuộc và tần số nguồn và số đôi cực
từ theo công th c:

Mà ta lại có, tốc độ roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công th c:
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều
chỉnh đ ợc tốc độ c a động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đư đ ợc chế tạo thì số đôi
cực từ không thể thay đổi đ ợc do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f 1. Bằng cách
thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh đ ợc tốc độ c a động cơ. Nh ng khi tần số
giảm, tr kháng c a động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện và từ
thông c a động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị
bưo hòa và động cơ không làm việc
suất. Vì vậy ng

chế độ tối u, không phát huy đuợc hết công

i ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển

nào đó sao cho từ thông c a động cơ không đổi. Từ thông này có thế là từ thông stato
Φ1, từ thông c a roto Φ2, hoặc từ thông tổng c a mạch từ hóa Φµ .
Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe h từ tr

ng nên việc giữ cho từ

thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển
nh 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 c a độ sụt tốc: I1 = f(Δω)
2.2.4 Ph

ng pháp đi u khi n U/f = const

Sđđ c a cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông Φ và tần số f1 theo biểu th c:
̇

HVTH: Đỗ Văn Thành

̇

̇
̇

15


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

Từ (2.14) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng tr stato Z1, ta có E1=U1, do đó :

Nh vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi. Trong
ph ơng pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 đ ợc giữ không đổi và bằng tỷ số này

định

m c. Cần l u ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện tr
stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn
toàn làm việc

chế độ từ thông không đổi.

Ta có công th c tính momen cơ c a động cơ nh sau:

Với momen tới hạn:

Khi hoạt động

⌋

⌊

√

định m c:

(

⌊

Ta có công th c sau:

)

⌋

√

Với f1 là tần số làm việc c a động cơ, f1dm là tần số định m c.
Theo luật U/f = const:

HVTH: Đỗ Văn Thành

16


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nh

Ta thu đ ợc:
U1 = aU1dm

(2.21)

f1 = af1dm

(2.22)

Phân tích t ơng tụ, ta cũng thu đ ợc ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay
các giá trị trên vào (2.16) và (2.17) ta thu đ ợc công th c tính momen và momen tới
hạn c a động cơ

tần số khác định m c:
[

]
√

Dựa theo công th c trên ta thấy, các giá trị X1 và X’2 phụ thuộc vào tần số trong khi
R1 lại là hằng số. Nh vậy khi hoạt động

tần số cao, giá trị (X1 + X’2) >> R1/a, sụt áp

trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông đ ợc giữ gần nh không
đổi. Momen cực đại c a động cơ gần nh không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động

tần số thấp thì giá trị điện tr R1/a sẽ t ơng đối lớn so

với giá trị c a (X1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện tr stato khi momen tải lớn.
Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại. Để bù lại sự
suy giảm từ thông

tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ điện một điện áp U o

để từ thông c a động cơ định m c khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ sau:
U1 =U0 + Kf1

(2.25)

Với K là một hằng số đ ợc chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f =
fdm. Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp đ ợc giữ không đổi và bằng định m c. Khi đó động cơ
hoạt động

chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa

momen và điện áp theo tần số trong ph ơng pháp điều khiển U/f=const:

HVTH: Đỗ Văn Thành

17