Thiết kế điều khiển tốc độ động cơ dị bộ xoay chiều ba pha với mạch động lực sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều khi không cần đảo chiều quay

Lời mở đầu
Nước ta đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiện đại
hoá. Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh me các
thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao
động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.Tự động
hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng
cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn
nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như
toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết về điều
khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý
điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp. Sự bùng nổ tiến bộ
kĩ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử -tin học những năm gần đây đã dẫn đến những
thay đổi sâu sắc cả về mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động.
Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các bộ biến đổi điện tử
công suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với
các mạch điều khiển dùng vi điện tử, vi xử lí...Phần lớn các mạch điều khiển này
dùng kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc
tham số hoặc điều khiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh và độ chính xác cao cho
hệ truyền động. Điều này dẫn đến việc chuẩn hóa chế tạo các hệ truyền động hiện
đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công
nghệ sản xuất.
Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Thiết kế điều khiển tốc độ
động cơ dị bộ xoay chiều ba pha với mạch động lực sử dụng bộ biến đổi điện
áp xoay chiều khi không cần đảo chiều quay” dưới sự hướng dẫn của thầy Trần
Tiến Lương.
Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy cuốn bài tập lớn này chắc chắn
không khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được
ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để cuốn bài tập lớn
này hoàn thiện hơn !

Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
- Động cơ dị bộ( không đồng bộ) xoay chiều ba pha là máy điện xoay chiều ,làm
việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ , có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ
trường quay trong máy .
- Động cơ dị bộ xoay chiều ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì
chế tạo đơn giản , giá rẻ , độ tin cậy cao , vận hành đơn giản , hiệu suất cao , và gần
như không cần bảo trì. Dải công suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000hp . Các động
cơ từ 5hp trở lên hấu hết là ba pha còn động cơ nhỏ hơn 1hp thường là một pha .
1.2. CẤU TẠO
- Giống như các loại máy điện quay khác ,động cơ dị bộ xoay chiều ba pha gồm có
các bộ phận chính sau :
+ phần tĩnh hay còn gọi là stato
+ phần quay hay còn gọi là roto

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ dị bộ xoay chiều ba pha


1.2.1. Phần tĩnh ( hay STATOR ):
Trên stator có võ , lõi thép và dây quấn
1.2.1.1. Vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn .Thường võ máy làm bằng
gang . Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn ( 1000 kw ) thường dung thép
tấm hàn lại làm vỏ máy ,tùy theo cách làm nguội ,máy và dạng vỏ máy cũng khác
nhau .
1.2.1.2.Lõi thép
Lõi thép là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để
giảm bớt tổn hao , lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm
ép lại . Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm thép

tròn ép lại . Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm
thép hình rẻ quạt ( hinh 1.2 )
ghép lại thành khối tròn .
Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều
có phủ sơn cách điện trên bề
mặt để giảm hao tổn do dòng
điện xoáy gây nên .Nếu lõi
thép

ngắn thì có thể ghép

thành một khối nếu lõi thép
quá dài thì ghép thành những
Hình 1.2 tấm thép hình rẻ quạt

tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt
.Mặt trong cùa lá thép có sẽ rảnh để dặt dây quấn .
1.2.1.3. Dây quấn:
Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi
thép . Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và
làm thành một hoặc nhiều vòng kín .Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động
cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến dổi năng lượng từ điện năng thành cơ


năng . Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao
trong toàn bộ giá thành của máy.
+ Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm :
- Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhất
định chạy qua mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra một moment
cần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt .

- Triệt để tiết kiệm vật liệu , kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn
- Dây quấn phấn ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau :
+ Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp
+ Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp
∗ Trong một số máy cở lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai
dây quấn xếp và song .
1.2.2. Phần quay ( hay ROTOR )
Phần này gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor:
1.2.2.1. Lõi thép :
Nói chung người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator lõi thép được ép
trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy .Phía ngoài của lá thép có sẽ
rãnh để đặt dây quấn .
1.2.2.2. Dây quấn ROTOR:
Phân loại làm hai loại chính rotor kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc:
- Loại rotor kiểu dây quấn : rotor kiểu dây quấn (hình 1.3 ) cũng giống như dây
quấn ba pha stator và có cùng số cực từ dây quấn stator .Dây quấn kiểu này luôn
đấu hình sao ( Y ) và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và
cách điện với trục .Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện
và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động Cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc
độ .


Hình 1.3 : rotor kiểu dây quấn
Rotor kiểu lồng sóc ( hình 1.4 ) : Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt
trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu .Với động cơ nhỏ
,dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn , vành ngắn mạch, cánh tản
nhiệt và cánh quạt làm mát .Các động cơ công suất trên 100kw thanh dẫn làm bằng
đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch .

1.2.3. Khe hở:
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều , khe hở trong máy điện không đồng bộ
rất nhỏ ( từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cở nhỏ và vừa ) để hạn chế dòng điện
từ hóa lấy từ lưới vào ,và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao .
1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí
suất hiện từ trường quay với tốc độ n 1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện ; p là số cặp
cực ; tốc độ từ trường quay ) .Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn
mạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I 2 chạy qua . Từ thông do dòng điện
này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở . Dòng điện
trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment . Tác dụng đó có
quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor . Trong những phạm vi tồc độ khác
nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau . Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác
dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ .
Hệ số trượt s của máy :
s= =
Như vậy khi n = n1 thì s = 0 , còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n > n1 ,s < 0 và rotor
quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1 .


1.4.1 ROTOR quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n1 ( 0 < s < 1)
Giả thuyết về chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ và của rotor n như hình 1.5a
.Theo quy tắc bàn tay phải , xác đinh được chiều sức điện động E 2 và I2 ; theo quy
tắc bàn tay trái , xac định được lực F và moment M . Ta thấy F cùng chiều quay của
rotor , nghĩa lá điện năng đưa tới stator , thông qua từ truờng đã biến đổi thành cơ
năng trên trục quay rotor theo chiều từ trường quay n 1 , như vậy đông cơ làm việc ở
chế độ động cơ điện .
1.3.2 ROTOR quay cùng chiều nhưng tốc độ n > n1 (s < 0) .
Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ dồng
bộ n > n1 .Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại , sức

điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều nên chiều
của M cũng ngược chiều n1 , nghĩa là ngược chiều với rotor , nên đó là moment hãm
( hình 1.5b ).Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện ,do động
cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện ,nghĩa là động cơ làm việc ở
chế độ máy phát .
1.3.3. ROTOR quay ngược chiều từ trường n < 0 (s > 1)
Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ trường quay
hình 1.5c , lúc này chiều của sức điện động và moment giống như ở chế độ động
cơ .Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại .
Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào , vừa lấy cơ năng từ động
cơ sơ cấp .Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ .


1.4. CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG DỒNG BỘ
Đặc tính tốc độ n = F(P2)
Theo công thức hệ số trượt ,ta
có :
n = n1(1-s)
Trong đó : s = . Khi động cơ
không tải Pcu << Pdt nên s ~ 0
động cơ điện quay gần tốc độ
đồng bộ n ~ n1 .Khi tăng tải thì
tổn hao đồng cũng tăng lên n
giảm một ít , nên đường đặc tính
tốc độ là đường dốc xuống .
Đặc tính moment M=f(P2)
Ta có M = f(s) thay đổi rất nhiều .nhưng trong phạm vi 0 < s < sm thì đường M =
f(s) gần giống đường thẳng ,nên M2 = f(P2) đường thẳng qua gốc tọa độ.
Đặc tính hiệu suất η = f(P2)
Ta có hiệu suất của máy điện không dồng bộ :

η = 100%
∑P tổng tổn hao, nhưng ở đây chỉ có tổn hao đồng thay đổi theo phụ tải còn các tổn
hao khác là không đổi .
Đặc tính hệ số công suất cosϕ = f(P2) .
Vì động cơ luôn luôn nhận công suất phản kháng từ lưới .Lúc không tải cosϕ rất
thấp thường < 0,2 .Khi có tải dòng điện I2 tăng lên nên cosϕ cũng tăng .


1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ xoay chiều ba pha
1.5.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi
điện áp
1.7.1.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp ta dùng bộ biến đổi BĐ có tín hiệu điện áp ra thay đổi theo
tín hiệu điều khiển như sơ đồ nguyên lý sau

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp
1.5.1.2 Đặc tính cơ trong điều chỉnh
*Nếu bỏ qua tổng trở nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch rotor
- Điện áp nguồn thay đổi ta thu được một họ đặc tính điều chỉnh có độ trượt tới
hạn giữ nguyên còn Mth thay đổi tỉ lệ với U2

Hình 1.8 Đường đặc tính cơ
Như vậy những đường đặc tính điều chỉnh này có đoạn làm việc ngắn , độ cứng
thấp và Mth giảm nhanh khi điện áp giảm
Để cải thiện đặc tính điều chỉnh và làm giảm mức phát nóng của máy điện người ta
nối thêm một điện trở Rcđ vào mạch roto . Khi điện áp đặt vào stato là định mức thì
ta thu được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, ta gọi nó là đường đặc tính giới hạn
sthgh = s th .

R2 + Rcd

R2

M thgh = M th

Mthgh , sthgh : mô men và độ trượt tới hạn giới hạn của đặc tính giới hạn


Mth , sth : mô men và độ trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên
Khi điện áp đặt vào khác định mức , mô men tới hạn Mth.u sẽ thay đổi tỉ lệ với
bình phương điện áp còn độ trượt tới hạn sth.u thì không đổi
2

 U 
 = M thgh .U *2
M th.u = M thgh 
U
 dm 
sth.u = sthgh = const

Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s) ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị U
*2
cho trước nhờ quan hệ M u = M gh .U

Các đường đặc tính điều chỉnh sẽ có dạng như sau:

Hình 1.9 Đường đặc tính điều chỉnh
*Nếu tính đến cả tổng trở nguồn
Trường hợp đơn giản ta xét bộ biến đổi có điện trở Rb , điện kháng Xb và các
thông số này không phụ thuộc vào điện áp U đặt vào động cơ , khi đó ta có

sthgh =
M thgh =

R2 + Rcd
( R12t + ( X 1t + X 2 ) 2

[

3U 2

2ω 0 R1t + R12t + ( X 1t + X 2 ) 2

]

= M th

R1 + R12 + ( X 1 + X 2 ) 2
R1t + R12t + ( X 1t + X 2 ) 2

Trong đó R1t = R1+Rb ; X1t = X1 +Xb
Phương trình đặc tính cơ của đường đặc tính giới hạn sẽ là


M gh

với a =
,

2 M thgh (1 + a , sthgh )
=

sthgh
s
+
+ 2a , s thgh
s thgh
s

R1t
R2, + Rcd,

1.5.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay
đổi tần số nguồn f1
1.5.2.1 Khái niệm chung
Xuất phát từ biểu thức ω = ω 0 (1 − s) =

2πf 1
(1 − s ) , ta nhận thấy khi thay đổi tần số
p

f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ của động cơ không đồng bộ .
Ta có sơ đồ điều chỉnh như sau :

Hình 1.10 Sơ đồ điều chỉnh tần số
Do máy điện được thiết kế để làm việc với một tần số nhất định nên việc thay
đổi tần số sẽ làm ảnh hưởng đến chế độ công tác của máy điện .
•

•

•

E 1 = CΦ f 1 = U 1 − I 1 Z 1
•

•

U1
U1
CΦ f 1 ≈ U 1 ⇒ Φ =
= C'
Cf 1
f1
•

Nếu điện áp U 1 = const thì khi tần số f 1 tăng thì từ thông Φ sẽ giảm do đó sẽ dẫn
đến hiện tượng giảm mô men trong máy . Để giữ cho mô men không đổi thì ta phải
tăng dòng điện. Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện
Nếu ta giảm tần số f 1 thì từ thông Φ sẽ tăng lên , điều này sẽ làm đốt nóng lõi


thép và làm cho hiện tượng bão hoà từ trong máy tăng lên
Như vậy đối với phương pháp thay đổi tần số thì khi điều chỉnh tần số thì ta cũng
phải thay đổi U1 cho phù hợp nhằm mục đích giữ cho Φ là không đổi
1.5.2.2. Quy luật thay đổi tần số
Khi tiến hành điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải về mô men là một hằng số
thì chế độ làm việc của máy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như khi làm
việc với tải định mức
Như vậy khi điều chỉnh ta cần phải luôn thoả mãn điều kiện : λ =

M th

= const
Mc

Nếu coi r1 ≈ 0 từ biểu thức của Mth ta có
3U 12
3U 12
M th ≈
=
2ω 0 ( x1 f1 + x 2' f 1 ) 4π
(C1 + C 2' ) f 12
p

Trong đó ta đã thay thế ω 0 =

2πf 1
p

Hệ số quá tải về mô men của động cơ được xác định dưa vào M th và Mc = f (ω)
M th
3U 12
U 12
λ=
=
= A. 2
4π
Mc
f1 .M c (ω )
'
2
(C1 + C 2 ) f 1 .M c (ω )

p

Thay thế Mc = f (ω) bằng phương trình đặc tính cơ dạng gần đùng của máy sản
2πf 1
(2π ) x
x
⇒ M c (ω ) = M c.dm .ω = M c.dm
• f 1 x = B ⋅ f 1x
xuất và coi ω ≈ ω 0 =
x
p
p

Như vậy ta có λ =

M th A U 12
= ⋅ ( 2+ x ) và viết biểu thức λ cho trường hợp làm việc
Mc
B f1

ở các thông số định mức và trong trường hợp U1, f1 bất kỳ và thoả mãn điều kiện λ
= const lúc đó ta có
U 12dm
U 12
U 12
f 1( 2+ x )
=
⇒
=
f 1( 2+ x )

f1( 2+ x )
U 12dm
f 1( 2+ x )

Từ đó ta rút ra quy luật biến đổi của điện áp

U1
=
U 1dm

f 1( 2+ x )
hoặc U 1∗ =
f 1(dm2+ x )

f 1∗( 2+ x )

Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc tần số và đặc tính phụ tải . Cho x các


giá trị khác nhau ta sẽ có những quy luật biến đổi khác nhau của điện áp . Ta có
bảng biểu diễn quy luật:
Loại tải
Kiểu máy tiện

X
-1

Quy luật điều chỉnh

Kiểu máy nâng

Ma sát nhớt

0
1

f 1∗

Quạt gió

2

f1∗2

f 1∗
f 1∗3

1.5.2.3. Các đặc tính điều chỉnh
Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số không những phụ thuộc vào f 1 mà
còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp , nghĩa là phụ thuộc vào đặc tính tải
Khi sử dụng quy luật điều chỉnh điện áp gần đúng thì mô men tới hạn của đặc tónh
điều chỉnh cũng được xác định gần đúng . Khi tần số và điện áp là định mức thì mô
men tới hạn sẽ là

M th.dm =

3U 12dm

4π 2
f 1dm (C1 + C 2' )
p

U 1∗2
So sánh với Mth ta có M th = M th.dm ∗2 và thay U 1∗ bằng quy luật biến thiên
f1
vừa xác định được ta sẽ có

M th = M th.dm f 1∗ x

Độ trượt tới hạn được xác định theo biểu thức gần đúng

s th.dm
R2'
s th =
=
C1 f1∗ + C 2' f1∗
f1∗
Trong đó sth.đm là độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên.
Như vậy khi biết số liệu của đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ của máy sản xuất ta
có thể xác định được Mth và sth của động cơ tại bất kỳ tần số nào . Cuối cùng sử
dụng phương trình:


M =

2 M th
s s th
+
s th
s

Ta sẽ dựng được đặc tính cơ điều chỉnh . Dưới đây trình bày dạng các đường đặc
tính cơ ứng với các phụ tải khác nhau .

Hình 1.11 Các dạng đường đặc tính cơ ứng với các phụ tải khác nhau
Trên thực tế họ đặc tính này đều thoả mãn điều kiện λ =

M th
= const
Mc

- Trong thực tế , do ta bỏ qua giá trị R 1 nên ở những miền tần số thấp mô men tới
hạn có sự sai khác đáng kể so với giá trị tính toán . Ở những miền tần số cao thì
điện kháng từ hoá xμ >>R1 nên ta có thể bỏ qua còn khi tần số điều chỉnh thấp thì
giá trị R1 không thể bỏ qua được nên kết quả tính toán sẽ không chính xác . Hệ số
quá tải thực tế bị giảm đáng kể trong miền này .
- Độ cứng của đặc tính cơ cũng phụ thuộc vào tần số điều chỉnh và đặc tính của mô
men cản . Để đơn giản trong tính toán ta coi đoạn làm việc của đặc tính cơ là
đường thẳng và có phương trình

M=

2M th
s
sth

Khi đó độ cứng của nó sẽ được xác định theo phương trình

β =−

1 2M th

ω0 sth

Thay các giá trị của Mth và sth vào ta có các đặc tính điều chỉnh tương ứng

1.5.3 Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ


Trong công nghiệp có 2 loại biến tần chính là biến tần nguồn áp và nguồn dòng .
Biến tần nguồn áp được sử dụng rộng rãi hơn . Đối với động cơ không đồng bộ thì
động cơ lồng sóc có kết cấu vững chắc , chi phí bảo dưỡng ít hơn nên được ưu tiên
sử dụng.
1.5.3.1 Chuyển mạch của biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ ba pha
Sơ đồ mạch động lực của một biến tần nguồn áp như sau :

Hình 1.12 Sơ đồ mạch động lức của biến tần nguồn áp
Một bộ biến tần bao gồm các khối chức năng chinh như : Khối chỉnh lưu , mạch
lọc và nghịch lưu độc lập nguồn áp . Nghịch lưu độc lập nguồn áp bao gồm 06 khoá
bán dẫn S1 ..S6 điều khiển hoàn toàn và 06 diot nối song song ngược với các khoá
bán dẫn
Nguyên lý của việc tạo điện áo xoay chiều ba pha đối với một bộ biến tần nguồn
áp được chỉ ra trên đồ thị (Hình 2)
Đồ thị mô tả qui luật chuyển mạch của các khoá bán dẫn để tạo thành điện áp xoay
chiều ba pha , mỗi kháo dẫn trong khoảng một nửa chu kỳ chuyển mạch . Điện áp
dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng xung là 2/3 chu kỳ và thoả
mãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa .

U ab (t ) =

∞
2 3

1
kπ 

U d ∑ sin  kωet +
÷
π
6 

−∞ k

Trong đó k = 1..6c ; c = 0, ± 1, ± 2... , ωe = 2π / 3 . Giá trị hiệu dụng của chuỗi điều
hoà là
Uab = 0,816Ud
Thành phần sóng điều hoà bậc 1 có biên độ được xác định như sau :


1
U abm
=

2 3
U d = 1,103U d
π


Hình 2


Đồ thị điện áp pha và dòng điện pha có dạng như sau

Hình 3
Dạng điện áp và dòng điện này không phù hợp với động cơ không đồng bộ , mặt
khác biên độ điện áp là cố định và không điều chỉnh được nên trong các bộ biến tần
phải thực hiện các thật toán điều chế
Ta có logic chuyển mạch đơn giản như trên hình vẽ

Hình 4
Điện áp pha có dạng bậc thanh và dòng điện có dạng không sin việc cải thiện đặc
tính ra của biến tần phụ thuộc vào hai yếu tố chính :
+ Điều chỉnh giá trị điện áp
+ Tối thiểu hoá các thành phần sóng hài


1.5.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi số đôi cực
I. Nguyên lý điều chỉnh
- Khi thay đổi số đôi cực của máy điện KĐB , tốc độ từ trường quay thay đổi do đó
tốc độ của roto cũng thay đổi theo . Quan hệ đó được thể hiện theo biểu thức :
ω = ω0 (1 − s ) =

2π f1
(1 − s )
p

f1 : tần số của lưới điện
p : số đôi cực
- Để có thể thay đổi được số đôi cực của động cơ thì máy điện phải được chế tạo
đặc biệt . Những máy điện kiểu đó gọi là máy điện đa tốc . Số đôi cực của máy có
thể được thay đổi bằng 2 cách :
+ Dùng 2 tổ dây quấn stato riêng biệt , mỗi tổ có số đôi cực riêng
+ Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm 2 đoạn , thay đổi

cách nối dây giữa 2 đoạn đó ta sẽ thay đổi được số đôi cực
- Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ
dây quấn stato . Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đoi cực theo cách hỗn
hợp . Những loại động cơ kiểu này thường là loại động cơ lồng sóc .
- Ta khảo sát phương pháp thay đổi số đôi cực bằng cách thay đổi cách đấu dây ở
stato :
Giả sử ta có một tổ đấu dây ở stato gồm 2 đoạn , mỗi đoạn là một phần tử dây
quấn , nếu ta đấu nối tiếp hai đoạn đó thuận cực nhau thì số đoi cực sẽ là p = 2 , còn
nếu ta đấu nối tiếp ngược cực hoặc song song ngược thì p = 1 .

Như vậy bằng cách đổi nối đơn giản ta đã điều chỉnh được tôc độ động cơ từ tốc độ
ω0


II. Cách đổi nối trên thực tế
Trong thực tế việc đổi nối cách cuộn dây được thực hiện theo 2 cách :
Hình sao → sao kép ( Y → YY ) và tam giác → sao kép (Δ → YY )
1. Đổi nối hình tam giác → sao kép (Δ → YY )
Sơ đồ đổi nối có dạng như sau

Khi nối theo hình Δ các cuộn dây được nối nối tiếp thuận với nhau nên ta giả thiết
khi đó p = 2 tương ứng với tốc độ đồng bộ là ω 0. Khi đổi nối thành hình YY các
đoạn dây nối nối tiếp ngược nên p = 1 và tốc độ đồng bộ là ω0YY = 2ω0
Để dựng các đặc tính điều chỉnh cần phải xác định các trị số M th , sth và ω0 với các
cách đấu dây .
- Khi nối hình Δ do hai cuộn dây mắc nối tiếp nhau nên ta có R 1 = 2r1 ; X1 = 2x1 và
R2 = 2r2 ; X2 = 2x2 ; Xnm = 2xnm
Điện áp trên dây quấn mỗi pha là U f ∆ = 3U1 . Do đó
sth∆ =
M th∆ =

R '2 ∆
R12∆ + ( X 1∆ + X '2 ∆ ) 2

=

3( 3U1 ) 2
2

2ω0  R1∆ ± R12∆ + X nm
∆



r2'
2
r12 + xnm

=

9U12
2 
4ω0  r1 ± r22 + xnm



- Nếu đổi thành đấu YY ta có : R 1YY = r1/2 ; X1YY = x1/2 và R2YY = r2/2 ; X2YY = x2/2 ;
XnmYY = xnm/2
Điện áp trên dây quấn mỗi pha là U f .YY = U1 . Do đó

R '2YY

sthYY =

R12YY + ( X 1YY + X '2YY ) 2

M thYY =

So sánh ta thấy

=

r2'
2
r12 + xnm

3U12
2

2ω0YY  R1YY ± R12YY + X nmYY



=

= sth∆
3U12

2 

2ω0  r1 ± r22 + xnm



M thYY 2
=
M th∆ 3

Kết luận : Khi đổi nối Δ → YY tốc độ không tải lý tưởng tăng lên gấp đôi , độ trượt
tới hạn giữ nguyên không đổi còn mô men tới hạn giảm đi 1/3 . Đặc tính cơ có dạng
như sau :

- Để xác định phụ tải cho phép khi điều chỉnh tốc độ , xuất phát từ giá trị công suất .
Từ biểu thức công suất ta có :
Pccp∆ = 3 3U1 I dm cosϕ∆η∆
PccpYY = 3U1 2 I dm cosϕYYηYY

Do đó ta có

PccpYY
Pccp∆

=

2cosϕYYηYY
≈1
3cosϕ ∆η ∆

Thực tế có thể coi PccpYY ≈ Pccp∆ vì hệ số công suất và hiệu suất khi nối Δ cao hơn khi
nối YY . Đó là khi nối YY điện áp đặt lên từng cuộn dây quấn lớn hơn khi nối Δ

nên dòng từ hoá tăng một cách vô ích :
- Mô men cản cho phép giữa 2 cách nối
M ccpYY
M ccp∆

- Hệ số quá tải về mô men

PccpYY
=

ω0.YY

Pccp∆

ω0

≈

ω0
1
=
ω0.YY 2


M thYY

M ccpYY 4
λYY
=
=

M th∆
λ∆
3
M ccp∆

2. Đổi nối sao sang sao kép ( Y → YY )
Sơ đồ đổi nối như sau

- Khi nối theo hình Y các cuộn dây được nối nối tiếp thuận với nhau nên ta giả thiết
khi đó p = 2 tương ứng với tốc độ đồng bộ là ω0 và do hai cuộn dây mắc nối tiếp
nhau nên ta có R1 = 2r1 ; X1 = 2x1 và R2 = 2r2 ; X2 = 2x2 ; Xnm = 2xnm
R '2 Y

sthY =

=

R12Y + ( X 1Y + X '2Y ) 2

M thY =

r2'
2
r12 + xnm

3U12
2

2ω0Y  R1Y ± R12Y + X nmY




So sánh ta nhận thấy sthY = sthYY

; M thY =

=

3U12
2 
4ω0  r1 ± r22 + xnm



1
M thYY
2

Kết luận : Khi tiến hành đổi nối Y sang YY tốc độ không tải tăng gấp đôi , mô men
tới hạn cũng tăng gấp đôi , độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị của nó .
- Công suất cản cho phép khi đổi nối :
PccpYY
PccpY

=

3U1 2 I1dm cosϕYYηYY 2cosϕYYηYY
≈
≈2
3U1 I1dm cosϕYηY

cosϕYηY

- Mô men cản cho phép
M ccpYY
M ccpY

- Hệ số quá tải về mô men

PccpYY
=

PccpY

ω0.YY
ω0Y

=1


M thYY

M ccpYY
λYY
=
=2
M thY
λY
M ccpY

Vậy khi chuyển đổi khả năng quá tải của động cơ tăng lên 2 lần . Đặc tính cơ của

động cơ như sau :

III. Các chỉ tiêu chất lượng
Ưu điểm cử phương pháp là thiết bị đơn giản , giá thành hạ , các đặc tính cơ đều
cứng và khả năng điều chỉnh triệt để . Nhờ có các đặc tính cơ cứng nên độ chính
xác duy trì tốc độ cao , tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể .
Nhược điểm của phương pháp là độ tinh chỉnh kém , dải điều chỉnh không rộng
và kích thước động cơ lớn


CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
2.1. Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ
2.1.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về không gian, ta giả thiết các điều
kiện sau đây trong khi mô hình hóa động cơ:

- Các cuộn dây Stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.
- Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua.
- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là
không Ta có phương trình điện áp stator :

ur f
rf
ur f
dψ s
u s = Rs isf +
+ jwsψ s
dt

Phương trình điện áp rotor

ur f
r
ur f
d
ψ
r
0 = Rr irf +
+ jwrψ r
dt
Từ đó ta có phương trình từ thông rotor và stator:

ur
ψ s = is Ls + ir Lm
ur
ψ r = is Lm + ir Lr
Phương trình momen:
mM =

ur
ur
3
3
pc (ψ s .is ) = − pc (ψ s .ir )
2
2

Phương trình chuyển động:

mM = mT +

Jdw
pc dt


- Trong đó: mT: momen tải.
- J: momen quán tính cơ.
-  : tốc độ góc rotor.
- pc: số đôi cực của động cơ
2.1.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor ( hệ tọa độ
dq)
Khi chiếu trên hệ tọa độ này thfi điện áp thay đổi như sau:
- Tọa độ từ thông rotor quay tốc độ w s so với stator
- Hệ tọa độ chuyển động vượt trước so với rotor một góc w r = w s − w
Từ đó ta thu được hệ phương trình:
 f
f
dψ rf
f
+ jwsψ r
u s = Rs is +
dt

1
 f
f
ir = (ψ rf − isf Lm )



Lr
0 = R i rf + dψ r + jw ψ f

r
r
r
Với


dt
ψ f = i f L + Lm (ψ f − i f L )
 f
s s
r
s m
f
f
 s
ψ r = is Ls + ir Lm
Lr
 f
ψ r = isf Lm + irf Lr
1 1−σ
1−σ
1−σ
1
 disd
 dt = −(σ T + σ T )isd + w s isq + σ L T ψ rd + σ L wψ rq + σ L usd
s
r

m r
m
s

 disq
1 1−σ
1− σ
1−σ
1
= − w s isd − (
+
)isq −
wψ rd +
ψ rq +
usq

σ Ts σ Tr
σ Lm
σ LmTr
σ Ls
 dt
=> 
 dψ rd = Lm i − 1 ψ + w ψ
sd
rd
r rq
 dt
Tr
Tr


 dψ rq = Lm i − w ψ − 1 ψ
sq
r rd
rq
 dt
Tr
Tr


Với d trùng vecto ψ r => ψ rq = 0