HỆ THỐNG điều KHIỂN ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

NGUYỄN HUY TƢỞNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ TỐI ƢU THEO HIỆU SUẤT

Chuyên ngành:ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan quyển luận văn thạc sĩ kỹ thuật: " Hệ thống điều khiển
động cơ không đồng bộ tối ƣu theo hiệu suất" do tôi tự nghiên cứu và thực
hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ts Nguyễn Mạnh Tiến. Các số liệu và
kết quả là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành quyển luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được
ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài
liệu nào khác.Nếu phát hiện có sự sao chép, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà nội ,ngày 27 tháng 3 năm 2015
Học viên

Nguyễn Huy Tưởng

i


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU ......................................... vi
I. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... viii
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔ TO LỒNG SÓC
1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ................................................................. 1
1.1.1. Stator ...................................................................................................... 1
1.1.2. Rotor........................................................................................................ 1
1.2. Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 2
1.3. Đặc tính động cơ KĐB ................................................................................. 2
1.4. Mô hình toán học động cơ KĐB ................................................................. 6
1.4.1. Mô hình động cơ trong không gian vecter ............................................ 6
1.4.2. Mô hình động cơ trong không gian α - β............................................. 9
CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐC KĐB
2.1. Nguyên lý điều khiển tần số...................................................................... 11
2.1.1. Quy luật điều khiển tần số cơ bản. ...................................................... 12
2.1.1. Luật điều khiển từ thông khe hở không đổi ....................................... 14
2.2. Bộ biến tần .................................................................................................. 15
2.2.1. Phân loại ............................................................................................... 15
2.2.2. Bộ biến tần ba pha điều chế độ rộng xung ......................................... 16
CHƢƠNG 3
TỔN HAO TRONG ĐỘNG CƠ KĐB VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIẾN TỐI ƢU HIỆU SUẤT
3.1. Tổn hao trong động cơ KĐB ..................................................................... 21

3.2. Nguyên lý điều khiển tối ƣu hiệu suất ...................................................... 23
3.3. Một số hệ thống điều khiển tối ƣu hiệu suất ............................................ 25
3.3.1. Hệ thống điều khiểu tìm kiếm tối ưu................................................... 25
3.3.2. Hệ thống điều khiển tối ưu hiệu suất trên cơ sở mô hình tổn hao. ... 28
ii


CHƢƠNG 4
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HIỆU SUẤT
4.1. Tính toán điều kiện tổn thất tối thiểu ....................................................... 31
4.2. Thuật toán tính toán tham số động cơ. .................................................... 34
4.2.1. Nhận dạng tham số động cơ. ............................................................... 34
4.2.2.Nhận dạng momen phụ tải. .................................................................. 37
4.3. Cấu hình hệ thống điều khiển tối ƣu theo hiệu suất ............................... 38
4.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ................................................... 40
4.4.1. Xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ ................................................. 40
4.4.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ .............................................. 41
CHƢƠNG V
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
5.1. Hệ phƣơng trình liên tục mô tả ĐC ĐKB ................................................ 43
5.2.Xây dựng các khối mô tả hệ thống. ........................................................... 44
5.2.1. Xây dựng khối mô tả mô hình động cơ KĐB ...................................... 44
5.2.2. Xây dựng các khối mô hình khác. ...................................................... 45
5.3. Xây dựng các thành phần chi tiết cho một hệ thống cụ thể động cơ KĐB
............................................................................................................................. 48
5.4. Các kết quả mô phỏng ............................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 57

iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BĐKTƯ

Bộ điều khiển tối ưu

ĐC KĐB

Động cơ không đồng bộ

TƯHS

Tối ưu hiệu suất

CL

Chỉnh lưu

NL

Nghịch lưu

ĐC

Động cơ

HQC

Hệ quy chiếu

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 5.1. Thông số định mức động cơ ............................................................... 48

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ thay thế một pha của ĐC KĐB .............................................................. 3
Hình 1.2 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB ............................................................... 5
Hình 1.3. Đặc tính của ĐC KĐB trong chế độ động cơ. ................................................. 6
Hình 1.4. Mô hình động cơ trong không gian vecter ...................................................... 7
Hình 2.1. Dạng đặc tính khi điều chỉnh từ thông khe hở không đổi ............................. 15
Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần 3 pha ................................................................. 17
Hình 2.3. Đồ thị điện áp động cơ .................................................................................. 19
Hình 3.1. Mô hình thay thế ĐC KĐB............................................................................ 21
Hình 3.2. Giản đồ năng lượng của ĐC KĐB ................................................................ 22
Hình 3.3. Các đặc tính động cơ cho điểm làm việc P ................................................... 23
Hình 3.4. Đồ thị tổn thất trong động cơ KĐB theo độ trượt ......................................... 24
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển tối ưu hiệu suất theo phương pháp tìm kiếm tối ưu .......... 25
Hình 3.6. Hình dạng đường cong tổng công suất tổn hao Ploss = f(x) ........................... 26
Hình 3.7. Biểu diễn phương pháp thu nhỏ khoảng nghiệm........................................... 27
Hình 3.8. Sơ đồ điều khiển tối ưu hiệu suất theo mô hình tổn hao ............................... 28
Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển tối ưu hiệu suất theo mô hình tổn hao - điều khiển tần số
tối ưu .............................................................................................................................. 29
Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển tối ưu hiệu suất theo mô hình tổn hao - điều khiển từ
thông khe hở tối ưu ........................................................................................................ 30

Hình 4.1. Mô hình tính toán MC ................................................................................... 38
Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tối ưu hiệu suất điều khiển ............................................ 39
theo mô hình tổn hao ..................................................................................................... 39
Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh sau tuyến tính hóa ................................. 41
Hình 5.1. Sơ đồ điều khiển tối ưu hiệu suất có nhận dạng tham số và momen cản ...... 44
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng động cơ KĐB ..................................................................... 45
Hình 5.3. Sơ đồ mô phỏng BBT . .................................................................................. 46
Hình 5.4. Sơ đồ mô phỏng khối tính điện áp ................................................................ 47
Hình 5.5. Sơ đồ mô phỏng bộ điều chỉnh tốc độ ........................................................... 47
Hình 5.6 Tổn hao hiệu suất ứng với U* = 5v ............................................................... 53
Hình 5.7 Tổn hao hiệu suất ứng với U* = 10V ............................................................. 54

vi


Hình 5.8 Tổn hao công suất khi U* = 5V ..................................................................... 55
Hình 5.9 Tổn hao công suất khi U* = 10V ................................................................... 55
Hình 5.10. Kết quả mô phỏng nhận dạng điện trở Rotor. ............................................. 56
Hình 5.11. Kết quả nhận dạng điện cảm Rotor. ............................................................ 56

vii


MỞ ĐẦU

I. Lý do chọn đề tài
Theo thống kê thì hơn một nửa lượng điện năng tiêu thụ trong công nghiệp
được dùng để chạy các động cơ điện, trong đó đa số là các động cơ không đồng bộ.
Trong giai đoạn phát triển đầu tiên của truyền động điện thì các động cơ
một chiều mới là loại động cơ được ưu tiên sử dụng bởi chúng có đặc tính điều

chỉnh rất tốt. Lý do là vì ở động cơ điện một chiều người ta dễ dàng điều khiển
dòng điện sinh từ thông và dòng điện sinh momen. Nhưng càng về sau sự phát
triển vượt bậc của các ngành thuộc lĩnh vực tự động hóa như lý thuyết điều
khiển, công nghiệp điện tử công suất... đã hỗ trợ rất nhiều cho việc điều khiển
các động cơ không đồng bộ, hơn nữa động cơ không đồng bộ lại có ưu điểm là
cấu tạo đơn giản, hoạt động chắc chắn mà không cần bảo trì định kỳ như động
cơ một chiều, vì thế nên hiện nay đa số động cơ dùng trong công nghiệp là động
cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha.
Tuy nhiên động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha lại có một nhược
điểm là chúng chỉ có hiệu suất cao khi hoạt động ở chế độ định mức còn nếu xa
điểm định mức thì hiệu suất thấp. Vì vậy để tăng hiệu suất khi vận hành ta phải
giảm thiểu tổn hao của động cơ. Ngoài các biện pháp giảm tổn hai trên phần
cứng ta còn phải nghiên cứu những giải pháp để khắc phục về phầm mềm (các
thuật toán tối ưu).
Chính vì lý do đó nên bản luận văn này tập trung vào việc thiết kế một hệ
thống điều khiển động cơ không đồng bộ tối ưu theo hiệu suất sử dụng thuật
toán tối ưu.
II. Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các mô hình tính toán tổn hao của động cơ không đồng bộ và
các phương pháp giải quyết bài toán tối ưu hiệu suất. Trên cơ sở đó nghiên cứu
thuật toán tính toán tần số và điện áp tối ưu nhằm mục đích tối ưu hiệu suất
động cơ ở chế độ làm việc xác lập tương ứng với tốc độ và momen động cơ.
Luận văn đã đề xuất mô hình nhận dạng tham số dây quấn và momen cản
động cơ và khảo sát chất lượng hệ thống.

viii


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔ TO LỒNG SÓC

1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc được cấu tạo gồm 2 phần chính là
Stator và rotor.
1.1.1. Stator
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn. Vỏ máy có nhiệm vụ cố
định lõi sắt và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn từ. Vật liệu vỏ máy thường
làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn thường dùng thép tấm hàn lại, tùy
theo cách làm mát máy mà dạng vỏ máy cũng khác nhau. Lõi sắt là phần dẫn từ
được ghép bằng nhiều lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35÷0,5mm để cho từ
trường quay đi qua, giảm tổn hao và chống dòng điện xoáy. Phía trong được xẻ
rãnh với nhiều loại rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn là vật liệu bằng đồng tiết
diện thường hình tròn gồm 3 cuộc dây đặt lệch nhau trong không gian 1 góc
1200 và được cách điện tốt với lõi sắt.
1.1.2. Rotor
Rotor có 2 loại chính: Rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc. Rotor
dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha rotor thường đấu hình
sao còn 3 đầu còn lại được nối vào vành trượt làm bằng đồng đặt cố định ở một
đầu trục và 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 thống công suất của máy.
Rotor kiểu lồng sóc: gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép chặt lại phía trên
được xẻ rãnh để đặt các thanh dẫn bằng nhôm hay đồng được nối ngắn mạch 2
đầu giống một cái lồng gọi là lồng sóc.
Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, giá thành hạ, vận
hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra, động cơ KĐB dùng trực tiếp lưới điện xoay
chiều 3 pha nên không phải trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Nhược điểm của động cơ KĐB roto lồng sóc là điều chỉnh tốc độ và khống
1

chế các quá trình quá độ khó khăn, các chỉ tiêu khởi động xấu.
1.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB dựa trên hiện tượng cảm ứng điện
từ. Khi đặt điện áp xoay chiều 3 pha đặt vào bộ dây 3 pha đối xứng trong lõi
thép sator, khi đó khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ :

n 
s

60.f
p

s

p

Trong đó:

fs là tần số dòng điện đưa vào stator
pp là số cặp cực của dây quấn stator của một pha

Từ trường này quét qua các thanh dẫn rotor cảm ứng trong thanh dẫn một
sức điện động và sinh ra dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với
từ thông của stator tạo thành từ thông khe hở không khí. Dòng điện trong thanh
dẫn rotor tác dụng với từ thông khe hở tạo ra mômen quay. Với phạm vi tốc độ
khác nhau thì chế độ làm việc của động cơ cũng khác nhau.
1.3. Đặc tính động cơ KĐB
Khi nghiên cứu ĐC KĐB, ta giả thiết như sau:
- Ba pha của ĐC là đối xứng
- Các thông số của ĐC không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ,

điện trở rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện rotor, mạch từ không bão
hòa nên điện kháng X s , X r không đổi.
- Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc
tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stator động cơ.
- Bỏ qua các tổn hao ma sát, tổn thất trong lõi thép.
- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha.
Với những giả thiết trên sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ như hình 1.1.

2


IS

RS

LS

Ir'

Lr'

Rr'/s
US

ES

Lm

Rm

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế một pha của ĐC KĐB
Trong đó:
U s , E s - Điện áp nguồn cấp và điện áp pha trên stator

I s , I r' - Dòng điện stator và dòng điện rotor quy đổi về stator.

Ls , L'r - Điện cảm tản stator, điện cảm tản rotor quy đổi về stator.
Rs , Rr' - Điện trở tác dụng của cuộc dân stator, điện trở rotor quy đổi về

stator.
Rm , Lm - Điện trở và từ trở cảm của lõi sắt.

s- Độ trượt của động cơ
s

ωs  pp ω
ωs

ωs - Tần số góc stator
ω1 - Tốc độ góc của từ trường quay (tốc độ đồng bộ)
ω1 

Trong đó:

ωs 2 fs

pp
pp

fs - Tần số của điện áp nguồn đặt vào stator

pp - Số đôi cực từ động cơ
ω - Tốc độ quay rotor động cơ

Từ sơ đồ thay thế hình 1.1 ,biểu thức được dòng điện stator có dạng :

3








1
1
I s  U s .


2
'
 R 2m  X 2m


R 
 R s  r   X 2nm 

s 





Trong đó: X nm  X s  X r'  là điện kháng ngắn mạch
Từ phương trình ta thấy:
Khi ω=0, s=1 thì Is=I1nm là dòng điện stator ngắn mạch . Khi ω=ω1, s=0 thì:

1
Is  Us 
 R 2  X2
m
m



I I
0
 m


Trong đó Im là dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động
cơ quay với tốc độ đồng bộ.
Mặt khác, dòng điện rotor quy đổi về Stator có dạng :
I 'r 

Us

R'
 R s  r
s


2


  X 2nm


Khi ω=ω1, s=0 thì I’r=0
Khi ω=0, s=1 thì:
I 'r  I rnm 

Us
2


R' 
 R s  r   X 2nm
S 


Irnm là dòng điện ngắn mạch rotor.
Dự vào điều kiện cân bằng công suất của động cơ, phương trình mômen
động cơ có dạng như sau:
M

3.U s2 .R 'r . p p

R'
ω s  R s  r
s



4



  X 2nm .s




Đặc tính cơ của động cơ có dạng như hình 1.2.


S

sthF
MthĐ

0
1

MthF

M

sthĐ

=0 s=1

s

s
Hình 1.2 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB
Các giá trị độ trượt tới hạn và mômen tới hạn được xác định như sau:
'

R
S 
R X
r

th

2

2

s

nm
2

3.U . p
M 
2 R  R  X
s

p

th

s

s

s

2
nm



Trong hai biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng
với trạng thái máy phát. Khi nghiên cứu các hệ truyền động với ĐC KĐB người
ta quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của ĐC nên các đường đặc tính cơ lúc
này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ: 0 ≤ s ≤ sth . Lúc này đường đặc tính
cơ có dạng như hình 1.3.

5



ω1
sth

Rf = 0
Rf ≠ 0

0

Mth

Mđm

M

Hình 1.3. Đặc tính của ĐC KĐB trong chế độ động cơ.
Nếu đặt: a  R
R

s
'
r

Thì phương trình đặc tính cơ có dạng phương trình CLOSS sau:
M

2M th (1  a.s th )
s s th

 a.s th
s th
s

1.4. Mô hình toán học động cơ KĐB
1.4.1. Mô hình động cơ trong không gian vector
Trong động cơ KĐB 3 pha đối xứng, coi dòng điện trong các pha là các
vector với độ lớn là thành phần dòng điện các pha (isa, isb, isc) và hướng trùng với
trục của cuộc dây pha tương ứng. Trong mặt cắt ngang của máy điện, đặt một hệ

tọa độ 2 trục vuông góc (trục thực α và trục ảo β) với trục thực trùng với trục
dây quấn pha A:

6


β
B

s  2f

us
uβs
s

 u  s t

uαs

α

A

C

Hình 1.4. Mô hình động cơ trong không gian vector
Các dòng vector 3 pha được viết:
isa  I m sin st
2 


i sb  I m sin s t 

3 


(1-1)

4 

i cs  I m sin s t 

3 


Vector dòng không gian của stator được định nghĩa như sau.


is 

2π
4π
j
j 
2
3
3
i
(t)

i

(t)e

i
(t)e
 sa

sb
sc
3


(1-2)

Trong hệ tọa độ 2 trục (,), vector dòng điện stator có thể viết:


i s  i sα  ji s

Tương tự vector không gian từ thông móc vòng stator và điện áp stator
7


cũng được định nghĩa:


j
j
2 
Ψ sa  Ψ sb e 3  Ψ sc e 3


3






(1-3)



j
j
2 
U sa  U sb e 3  U sc e 3

3






(1-4)

Ψs 

Us 

2π

4π

2π

4π

Trong đó: Ψ sa , Ψ sb , Ψ sc là các thành phần từ thông móc vòng của các pha a,
b, c trên stator.
Usa, Usb, Usc, là các thành phần điện áp pha a, b, c stator.
* Hệ phương trình trong không gian vector
Các phương trình cân bằng điện áp stato và rotor có dạng :
U sa  R s .i sa 

dΨ sa
dt

U sb  R s .i sb 

dΨ sb
dt

U sc  R s .i sc 

dΨ sc
dt

U ra  R r .i ra 

dΨ ra

dt

U rb  R r .i rb 

dΨ rb
dt

U rc  R r .i rc 

dΨ rc
dt

(1-5)

(1-6)

Trong đó Rs, Rr là điện trở stator và rotor
Sử dụng vector không gian dòng điện (1-2), từ thông móc vòng (1-3)và
điện áp (1-4) biến đổi : Hệ phương trình (1-5) và (1-6) nhận được hê phương
trình vctor điện áp stator và rotor như sau:


d Ψs
Us  R s is 
dt




(1-7)



d Ψr
Ur  R r ir 
dt




(1-8)

8


Bằng phép biến đổi tọa độ, hệ phương trình vector mô tả động cơ trong hệ
tọa độ quay tốc độ quay  k có dạng:



d Ψs
Us  R s is 
 j k Ψ s
dt




(1-9)




d Ψr
Ur  R r ir 
 j( k   r ) Ψ r
dt




(1-10)

1.4.2. Mô hình động cơ trong không gian α - β
Ta chọn hệ trục tọa độ đặt cố định stator (ωk=0)
Từ (1-9),(1-10) Hệ phương trình điện áp mô tả động cơ KĐB ở hệ tọa độ
tĩnh có dạng:


d Ψs
Us  R s i s 
dt




(1-11)




d Ψr
O  Rr ir 
 jω r Ψ r
dt


Phương trình momen động cơ có dạng :
M



2 Lm
I m (Ψ r . i s )
3 Lv

Phương trình chuyển động có dạng :
d r p p

(M  M c )
dt
J




Trong đó: U s , Ψ s , i s là: vector điện áp, từ thông móc vòng và dòng điện
stator.


Ψ r , i r - vector từ thông móc vòng và dòng điện rotor

 k - Tốc độ quay của hệ tọa độ quay.

 r - Tốc độ roto (điện)

M, Mc - Momen của động cơ và momen phụ tải.
p p - Số đôi cực

J- Mômen quán tính của động cơ và hệ thống.

9


Từ thông móc vòng stator, rotor được xác định theo các biểu thức sau :






Ψs  Ls i s  L m i r




(1-12)



Ψr  Lm i r  Lr i r

(1-13)

Trong đó: LS, Lr, Lm tương ứng là điện cảm móc vòng stator, rotor và từ hóa
Đặt biến trạng thái của động cơ là:
  
 is 
Ψr 
 

Từ các phương trình (1-11) đến (1-13), hệ phương trình trạng thái mô tả
quá trình điện từ của động cơ KĐB ở hệ tọa độ stator có dạng sau:
  
  
d  i s  A11 A12   i s   B1  

   Us
dt  Ψ r  A 21 A 22   Ψ r   B 2 
 
 

(1-14)

Trong đó các ma trận hệ số được tính theo biểu thức sau:
Rs  Rr
A11 

L s .σ

L2m
L2r

.I

A12 


L m  1
.I   r .J 

L s .L r .σ  Tγ


A 21 

Lm
.I
Tr

A 22  
B1 

(1-15)

1
.I   r .J
Tr

1

.I ;
L s .σ

0
B2  
0

0
;
0

1
I
0

0
;
1 

Trong đó:
Tr 

Lr
Rr

L2m
σ  1
L r Ls

: hằng số thời gian mạch rotor

: hệ số tản từ

Rs, Rr: Điện trở stator, và rotor
Ls, Lr, Lm: Điện cảm stato, rotor và từ hóa.
10

0
J
1

 1
0


CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ
Phương pháp điều chỉnh tần số ĐC KĐB cho phép mở rộng phạm vi sử
dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Với mục đích mở rộng dải
điều chỉnh và nâng cao chất lượng động, hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ
xoay chiều nói chung và ĐC KĐB nói riêng. Trước hết chúng được ứng dụng
cho những thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các động
cơ truyền động của các nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn... Phương pháp này
còn ứng dụng trong cả những thiết bị đơn lẻ có công nghệ yêu cầu tốc độ làm
việc cao như máy ly tâm, máy mài, máy đánh bóng... Đặc biệt các hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng biến đổi tần số nguồn cho ĐC KĐB roto lồng sóc sẽ
có cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ và làm việc tin cậy trong những
môi trường khắc nghiệt.
Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là hệ thống điều khiển phức tạp, vì
động cơ KĐB không nhận điện từ lưới điện mà nhận từ bộ tiến tần. Mặt khác bộ

biến tần này đòi hỏi điều chỉnh được tần số và điện áp ra độc lập với nhau.
2.1. Nguyên lý điều khiển tần số.
Từ biểu thức tốc độ từ trường quay( tốc độ đồng bộ ):
ω1 

2f
pp

(2-1)

Thấy rằng điều chỉnh tần số,tốc độ đồng bộ thay đổi và do đó tốc độ động
cơ không đổi do:
ω r  p p1 1  s 

Vì sức điện động dây quấn của ĐC KĐB tỷ lệ với tần số và từ thông:
Es = C.  m f s

(2-2)

Nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stator:
ΔUs  I s . R s2  X s2  0

11

(2-3)


thì Us ≈ Es ≈ C.  m . fs
Vì vậy cần phải điều chỉnh đồng thời với việc điều chỉnh tần số và điều
chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên

điện áp Us thì từ thông động cơ biến đổi theo quan hệ tỷ lệ nghịch với fs.
Khi fs giảm thì từ thông  m của động cơ tăng làm cho mạch từ của động cơ
bị bão hòa vì dòng điện từ hóa Iu tăng. Vì vậy các chỉ tiêu năng lượng xấu đi làm
động cơ phát nóng quá mức cho phép. Khi fs tăng thì từ thông  m của động cơ
giảm xuống vì nếu động cơ này cung cấp cho tải momen không đổi . Theo biểu
thức momen động cơ M đc  K m m I .Cosφ dòng điện rotor I r sẽ tăng lên. Vậy
trong trường hợp này dây quấn rotor bị quá tải còn lõi thép thì non tải. Ngoài ra
cũng từ nguyên nhân trên làm cho momen và khả năng quá tải cho phép của
động cơ giảm đi.
Vì vậy để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ
bằng biến đổi tần số người ta còn phải điều chỉnh cả điện áp theo một tần số qua
một hàm phù hợp với phụ tải. Việc điều khiển này có thể được thực hiện qua hệ
thống kín khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần số cho trước nào
đó sẽ biến đổi theo phụ tải và các quy luật tải khác ta có quy luật điều khiển.
Quan hệ Us(f) gọi là quy luật điều khiển tần số. Trong thực tế hai quy luật
điều khiển tần số được sử dụng rộng rãi là: Luật điều khiển tần số Us/f không đổi
và luật điều khiển từ thông khe hở không đổi.
2.1.1. Quy luật điều khiển tần số cơ bản.
Khả năng quá tải về momen của động cơ được định nghĩa:
λM 

M th
Mc

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator thì biểu thức momen tới hạn có thể tính
như sau:
U
M th  K th  s
 s





2

(2-4)

Trong đó Kth là hằng số, phụ thuộc vào thông số của động cơ.Với mục tiêu
12


điều khiển tần số và điệp áp đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi tần số
khác nhau, tức là:
λM 

M th M thđh

 const
Mc
M cđđ

Biểu thức của quy luật tần số giữ khả năng quá tải không đổi ở dạng tổng
quát khi coi điện trở stator bằng 0 (Rs = 0) có dạng :

U s U sđ m

f
fđ m

Mc
M cđ m

(2-5)

Từ (2-5) thấy rằng quan hệ Us(f) phụ thuộc vào đặc tính momen cản Mc
Dạng đặc tính cơ của các máy sản xuất có thể viết dưới dạng gần đúng (nếu
bỏ qua Mco như sau):


 ω 
M c  M cđm  r 
 ωrđm 

Trong thực tế có 3 dạng momen cản của các máy sản xuất tương ứng với
α = 0, α = 2, α = -1.
α = 0: Mc = Mcđm = const là đặc tính của các cơ cấu nâng hạ, tăng tải, cơ
cấu ăn dao máy cắt gọt. Khi đó từ biểu thức (2-5) nhận được:
Us Usđ m

f
f đm
Us
= const
f

Do đó luật điều khiển tần số sẽ là:
α = -1 :

M c  M cđ m

r đm
ωr

Momen tỉ lệ nghịch với tốc độ ĐC. Đây là đặc tính của các cơ cấu máy ly
tâm, cơ cấu dịch chuyển, máy cuộn, các truyền động quay trục chính máy cắt
gọt kim loại.
Luật điều khiển tần số sẽ là:
Us
f

 const

13


 ω 
M c  M cđm  r 
 ωrđm 

- α = 2:

2

Momen tỷ lệ bậc 2 với tốc độ động cơ. Đây là đặc tính của các máy bơm,
quạt gió. Vậy:
Luật điều khiển tần số sẽ là:

Us
 const

f2

2.1.1. Luật điều khiển từ thông khe hở không đổi
Điều khiển từ thông khe hở không đổi, ĐC KĐB có khả năng sinh momen
lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng, ngay cả ở dải tần số thấp khi ảnh hưởng
của điện trở stator lớn. Để duy trì được từ thông khe hở không đổi trong dải tốc
độ rộng, sức điện động stator sẽ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số stator thay cho
phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp - tần số không đổi.
Sức điện động stator Es được tính theo công thức:
Es 

ω s M K  N 1
2

 4,44  M K  N1f s  K M f s

Từ đó suy ra từ thông khe hở:
M 

Es
K.fs

Nếu điều khiển tần số sao cho tỉ lệ E s/fs là hằng số, có thể giữ được từ
thông khe hở không đổi. Do đó điều khiển từ thông hở không đổi sẽ đồng
nghĩa với điều chỉnh tỉ số E s/s không đổi. Nếu mạch từ động cơ không bão
hòa và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hóa. Trong thực tế
dòng điện từ hóa có thể duy trì ở trị số định mức (tương ứng với điện áp, tần số
định mức và phụ tải định mức).
Ở chế độ mon tải, dòng điện từ hóa sẽ có giá trị lớn tương đối so với giá trị
ở chế độ làm việc bình thường ở ĐC. Khi điều khiển từ thông khe hở không đổi,

tức là tỉ số Es/ωs không đổi, do đó momen ĐC là hàm của tốc độ trượt ωSL và
không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp. Đặc tính momen sẽ có dạng như
nhau ở các tần số khác nhau.

14


ω
ω1

f1
f2
f3
f4

0
Mth

M

Hình 2.1. Dạng đặc tính khi điều chỉnh từ thông khe hở không đổi
Trong trường hợp này, từ thông khe hở được duy trì ở giá trị ứng với chế
độ không tải và điện áp, tần số định mức. Momen tới hạn ở mọi tần số sẽ có
giá trị không đổi và động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở cả dải điều
chỉnh tốc độ.
Trong thực tế, luật điều chỉnh từ thông khe hở không đổi được thực hiện
điều khiển Us(f). Ở điều kiện từ thông khe hở không đổi, sức điện động stator E s
tỉ lệ với tần số stator, sụt áp trên dây quấn stator phụ thuộc vào tần số stator và
dòng điện stator. Do đó điện áp stator cần thiết để duy trì từ thông khe hở không
đổi sẽ là hàm của tần số và dòng điện phụ tải Is.

2.2. Bộ biến tần
2.2.1. Phân loại
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều với tần số của lưới điện
thành dòng điện xoay chiều có tần số khác với tần số của lưới. Biến tần được
chia làm hai loại.
a) Biến tần trực tiếp dùng Thyristor
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều,
không thông qua khâu trung gian 1 chiều.
Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược. Các bộ chỉnh lưu
này có thể là sơ đồ 3 pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu hoặc các bộ chỉnh lưu
nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu càng lớn thì thành phần sóng điều hòa bậc
15


cao càng giảm.
b) Biến tần gián tiếp
Bộ biến tần gián tiếp gồm các khâu: Chỉnh lưu (CL), Lọc và nghịch lưu
(NL) như ở sơ đồ hình 2.2. Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung
gian một chiều, do đó gọi là biến tần gián tiếp.
Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, chỉnh lưu
có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển. Ngày nay đa số chỉnh lưu thường
là chỉnh lưu không điều khiển, vì nếu điều chỉnh điện áp 1 chiều trong phạm vi
rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi.
Nói chung chức năng biến đổi tần số và điện áp được thực hiện bởi nghịch lưu
thông qua luật điều khiển.
Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bản điều
khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi bị quá tải.
Ngày nay biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điều chỉnh
tần số và điện áp trong phạm vi khá rộng. Dễ dàng tạo ra các bộ nguồn (dòng,
áp) theo mong muốn. Nghịch lưu được dùng trong biến tần thường là các mạch

cơ bản đã được học.
Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì có 2 lần biến
đổi) công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn.
2.2.2. Bộ biến tần ba pha điều chế độ rộng xung
a) Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến tần: nguồn điện xoay chiều 3 pha
được chỉnh lưu bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và lọc thành nguồn 1 chiều bằng
phẳng nhờ tụ điện. Nhờ vậy hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều có giá trị
không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0,96. Điện áp 1 chiều này được
biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Mạch nghịch lưu
gồm các van bán dẫn công suất, nghịch lưu được thực hiện bằng phương pháp
điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công
nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số
16