Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số động cơ trong điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đinh Văn Hai

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ TRONG ĐIỀU
KHIỂN VEC TƠ ĐCKĐB

Chuyên ngành :

Kỹ Thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS.PHẠM HÙNG PHI

Hà Nội – Năm 2014


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa ai công bố trong bất kỳ công trình nào

khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ
nguồn gốc.

Học viên thực hiện luận văn

Đinh Văn Hai

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 1

GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
x(t), x

Giá trị tức thời

X*, x*

Giá trị đặt

X, x

Giá trị vector



Tốc độ quay của động cơ

s

Độ trượt của động cơ

f

Tần số của nguồn cung cấp

M

Mômen quay của động cơ

Mc

Mômen cản của tải

m

Từ thông của động cơ

s

Từ thông stator của động cơ

r

Từ thông rotor của động cơ

Is

Dòng điện stator

Ir

Dòng điện rotor

Iư

Dòng điện phần ứng

Ik

Dòng điện kích từ

dr

Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục d

qr

Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục q

αr

Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục α

βr

Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục β

Ids,

Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục d

Iqs

Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục q

Iαs,

Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục α

Iβs

Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục β

Ls

Điện cảm stator

Lr

Điện cảm rotor

Lm

Hỗ cảm giữa stator và rotor

Rs

Điện trở dây quấn stator

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 2


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Rr

Điện trở dây dẫn rotor

s

Tần số góc nguồn stator

, 

Các thành phần thuộc hệ tạo độ 

d,q

Các thành phần thuộc hệ tạo độ dq

J

Mômen quán tính

CL

Chỉnh lưu

PLC

Program Logic Controller

P

Bộ điều chỉnh tỉ lệ

PI

Bộ điều chỉnh tích phân tỉ lệ

PD

Bộ điều chỉnh vi phân tỉ lệ

PID

Bộ điều chỉnh vi tích phân tỉ lệ

TĐĐ

Truyền động điện

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

TĐĐXCBP

Truyền động điện xoay chiều ba pha

ĐKVTKG

Điều khiển vector không gian

DTC

Điều khiển trực tiếp mômen (Direct Toque Control)

FOC

Điều khiển tựa từ trường (Field Oriented Control)

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các khả năng nối với nguồn của các cuộn dây.
Bảng 3.2: Trình tự thực hiện 3 vector U1 , U2 và U0 hoặc U7.
Bảng 3.3: Module của vector biên trái và biên phải tính bằng các thành phần
điện áp usα, usβ.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 3


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ ..................................... 10
Hình 1.2: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. ......................... 11
Hình 1.3: Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ. ................. 13

Hình 1.4: Động cơ KĐB với R1f và X1f trong mạch stator. ..................................... 14
Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ. ........... 15
Hình 1.6: Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor đến đặc tính cơ. .............................. 16
Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ................ 17
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp .......................................................... 21
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp ..................................................... 21
Hình 2.3: Sơ đồ nghịch lưu dòng 3 pha. ................................................................. 23
Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha. .......................................................... 24
Hình 2.5: Phân loại các phương pháp điều khiển ĐCKĐB bằng biến tần. .............. 26
Hình 2.6: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi .................................. 30
ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh

Us
U s2

const
 const ..................... 30
và
fs 2
fs

Hình 2.7: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi ta thay đổi tần số theo
quy luật điều chỉnh từ thông không đổi ( hay

Us
 const ). ..................................... 31
fs

Hình 3.1: Các hệ trục tọa độ. ................................................................................. 34
Hình 3.2: Mối liên hệ giữa hệ tọa độ  và dq.........................................................36
Hình 3.3: Sơ đồ khối của các phép biến đổi tọa độ...................................................38
Hình 3.4: Các dạng mô hình ĐCĐXCBP ............................................................... 38
Hình 3.5: Mô hình không gian trạng thái của ĐCĐKĐB.........................................41
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp .................... 46
Hình 3.7: a) Sơ đồ nối ba cuộn dây pha theo khả năng thứ 4 của bảng 3.1 ............. 47
b) Vector không gian ứng với khả năng thứ 4 của bảng 3.1 .................... 47

Hình 3.8: Tám vector do ba cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên. ........................ 48
Hình 3.9: Vector us được phân tích thành hai vector ut và up .................................. 49
Hình 3.10: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất S1.......... 51
Hình 3.11: Các khả năng cho biết trước về vector điện áp stator us ........................ 53
Hình 3.12: Vector từ thông Ψs liên quan đến vector từ thông rotor Ψr dưới tác dụng
của vector điện áp .................................................................................................. 57

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 4

GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Hình 3.13: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển DTC ............................................ 58
Hình 3.14: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC. ............................................... 60
Hình 3.15: Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor trực tiếp ............................ 61
Hình 3.16: phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp ............................ 62
Hình 4.1: Đồ thị điện trở stator thay đổi trong thực tế vận hành ............................. 66
Hình 4.2: Đồ thị minh họa ảnh hưởng của Rs ........................................................ 68
Hình 4.3: Cấu trúc bộ bù sự thay đổi điện trở ........................................................ 69
Hình 4.4: Đồ thị điện trở rotor thay đổi trong thực tế vận hành .............................. 71
Hình 4.5: Sai số của góc s ................................................................................... 72
Hình 4.6: nhận dạng tham số Tr bằng khâu bù san phẳng ....................................... 75

Hình 4.7: Sơ đồ khối điều khiển tựa từ thông rotor động cơ không đồng bộ........... 78
Hình 4.8: Sơ đồ mạch khi dòng điện pha A qua vị trí 0.......................................... 79
Hình 4.9: Kéo dài khoảng thời gian dòng điện pha A qua vị trí 0 ........................... 80
Hình 4.10: Dòng điện pha B và C sẽ không đổi khi dòng điện pha A có giá trị 0 ... 81
Hình 4.11: Điện áp cảm ứng trên pha A. ................................................................ 81
Hình 4.12: Hằng số thời gian rotor ước lượng và thực tế. ...................................... 83
Hình 4.13: Từ thông rotor tính toán và thực tế. ...................................................... 83
Hình 4.14: Momen tính toán và momen thực tế. .................................................... 84
Hình 4.15: Ước lượng tốc độ ................................................................................. 84
Hình 4.16: Nhận dạng các thông số bằng sơ đồ mạng thông minh ......................... 86
Hình 4.17: Sơ đồ mạng thông minh ước lượng Rr. ................................................. 88
Hình 4.18: Sơ đồ mạng thông minh hai lớp dùng để ước lượng từ thông rotor. ...... 88

Hình 4.19: Quan hệ dòng điện stator và điện trở stator Rs. ..................................... 90
Hình 4.20: Ước lượng dòng điện stator trên trục D dựa theo (55). ......................... 91
Hình 4.21: Ước lượng dòng điện stator trên trục Q dựa theo (59). ......................... 91
Hình 4.22: Ước lượng Rs bằng cách sử dụng ANN. ............................................... 91
Hình 4.23: Sơ đồ khối điều khiển gián tiếp vector động cơ không đồng bộ với ước
lượng online điện trở stator và rotor. ...................................................................... 93
Hình 4.24: Điện trở rotor và điện trở stator được sử dụng trong điều khiển khi
không có bù và khi có bù khi có sự thay đổi đột ngột đến 40%. ............................. 95
Hình 4.25: Điện trở rotor và điện trở stator sử dụng trong điều khiển khi có và không
có RRE và SRE khi có sự thay đổi từ từ...................................................................96

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 5


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Mở đầu
Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, chắc chắn, giá thành hạ, vận hành
và bảo dưỡng dễ dàng. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến đa thông số, nên việc điều
khiển đông cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn.
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công
nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều

khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công
nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đã được đề xuất cho việc
điều khiển động cơ không đồng bộ. Đặc biệt, phương pháp điều khiển vector là một
phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nhờ
đó việc ứng dụng động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Tuy nhiên phương pháp điều khiển vector vẫn còn tồn tại những vấn đề cần
phải giải quyết để phương pháp này được hoàn thiện hơn như: vấn đề về giải quyết
các nhiễu trong hệ thống, xác định các giá trị thực và ước lượng các giá trị cần trong
quá trình điều khiển. Việc ước lượng phụ thuộc vào một số thông số của động cơ và
các thông số này thường thay đổi trong quá trình vận hành của máy. Ước lượng giá
trị cần càng tiệp cận với giá trị thực của động cơ thì các giá trị cần điều khiển như
momen, tốc độ, công suất càng được điều chỉnh một cách chính xác. Do vậy, đề tài

của em đi vào nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng của các thông số động cơ không đồng
bộ đến ước lượng các giá trị cần của phương pháp điều khiển vector. Từ đó đưa ra
các hướng để loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các thông số động cơ đến quá
trình điều khiển.
Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; phần kết luận
chung; tài liệu tham khảo; phụ lục.
Nội dung chính của luận văn:
Chương 1: giới thiệu về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
ba pha.
Chương 2: giới thiệu về phương pháp điều khiển biến tần động cơ không
đồng bộ ba pha.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 6


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Chương 3: nghiên cứu về phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor động cơ
không đồng bộ.
Chương 4: nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số đến phương pháp điều
khiển vector và đưa ra các hướng để khắc phục ảnh hưởng của các tham số này.
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy

giáo hướng dẫn TS Phạm Hùng Phi và các thầy giáo trong bộ môn Thiết Bị Điện –
Điện Tử, viện Điện. Đến nay, luận văn đã hoàn thành với đầy đủ nội dung, yêu cầu
đề ra. Tuy nhiên mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng kiến thức của bản thân
còn hạn chế, thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy giáo, sự góp ý chân thành của các bạn
đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Trước hết, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ chỉ
bảo, hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Phạm Hùng Phi. Thầy đã gợi mở hướng nghiên
cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể, sâu sắc, tạo điều kiện giúp tôi
từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận
văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo và các cán bộ, nhân viên thuộc bộ môn

Thiết Bị Điện – Điện Tử, Viện Điện, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ
và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn một số đồng nghiệp, bạn cùng lớp đã có những đóng
góp nhất định đối với công việc học tập, nghiên cứu của tôi trong thời gian qua.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 7


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Chương 1: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
1.1 Giới thiệu về động cơ điện không đồng bộ
Ngày nay, động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp và chiếm một tỉ lệ lớn so với các động cơ khác. Ưu điểm của loại
động cơ này là cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành an
toàn, chịu được điều kiện làm việc môi trường khắc nhiệt, nối trực tiếp với lưới điện
áp xoay chiều ba pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi.
Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của động cơ này là hệ số cos không cao, đặc
tính điều chỉnh (khi mở, khi điều chỉnh tần số, ổn định và khống chế tốc độ) phức
tạp nên gặp khó khăn trong quá trình điều chỉnh.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử công
suất, vi xử lý, tin học, đã cho phép giải quyết những bài toán phức tạp trong vấn đề

điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đáp ứng thời gian thực với chất lượng điều
khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước đây (mở rộng dải điều chỉnh, điều
chỉnh với độ chính xác cao) và dần dần thay thế hệ truyền động một chiều.
1.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ( tài liệu số [5])
Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) .
1. Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.
a. Vỏ máy : Thường làm bằng gang. Đối với máy công suất lớn (>1000kW) thường
dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố định và không dùng để
dẫn từ.
b. Lõi sắt : Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm ghép lại.
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, do đó
nhằm giảm tổn hao do dòng xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có sơn

cách điện. Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
c. Dây quấn : Dây quấn được đặt vào các rãnh lõi sắt và cách điện với lõi sắt. Dây
quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200.
2. Rotor: Gồm trục, lõi sắt và dây quấn
a. Trục: Làm bằng thép để đỡ lõi sắt rotor.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 8


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

b. Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở stator. Lõi sắt được ép trực
tiếp lên trục. Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
c. Dây quấn : Gồm 2 loại rotor dây quấn và rotor lồng sóc
- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator. Dây quấn 3 pha rotor thường
đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở một đầu trục.
Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rotor
để cải thiện mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất. Bình thường làm việc dây
quấn rotor nối ngắn mạch.
- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sất được đặt 1 thanh dẫn bằng đồng hoặc
bằng nhôm và được nối tắt ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng
nhôm thành một cái lồng người ta gọi đó là lồng sóc. Dây quấn rotor lồng sóc

không cần cách điện với lõi sắt.
3. Khe hở
Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2mm-1mm).
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi đặt
điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trong
khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc một của từ trường
này quay với tốc độ góc là: 1 

2f
p

trong đó: f là tần số dòng điện cấp cho stator.
p là số đôi cực của dây quấn stator.
Đồng thời từ trường stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong các
thanh dẫn rotor (đối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây rotor (đối với loại
rotor dây quấn). Các dòng điện rotor này đặt trong từ trường stator quay nên sinh ra
lực điện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra mômen quay rotor, rotor quay
cùng hướng với từ trường stator quay.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 9

GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Lúc đầu khi từ trường stator đã sinh ra thì rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắt
kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua rotor càng giảm nên sức
điện động cảm ứng phía rotor sẽ giảm dần và dòng điện rotor cũng giảm theo.
Nếu tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từ
được sinh ra và rotor quay chậm lại. Do đó tốc độ rotor không thể bằng tốc độ đông
bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của động cơ,
sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt.
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ( tài liệu

số [1])
1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba
pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không
đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi
thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như
hình vẽ 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó:
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V).
Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stator và dòng điện rotor đã quy

đổi về stator (A).
Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stator và điện kháng
rotor đã quy đổi về stator (Ω).

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 10


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stator và mạch rotor đã

quy đổi về stator (Ω)
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

M

3U12 R '2
2


R '2 
so  R1 

 X nm 
s 



,[Nm]

(1.1)

Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2
Từ các phương trình đặc tính cơ, ta xây dựng được đường đặc tính cơ với
những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình 1.1 cho những giá trị của M.

Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1.2, đó là đường đặc
tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
s

0 A
0
th

K

sth

0 1
Mđm

B
MmmA

M
Mth

Hình 1.2: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha.
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

dM
0
ds

(1.2)

Giải phương trình ta có:

s th  

R '2

(1.3)

2
R12  X nm

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 11

GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

M th 

3U12
2o (R1  R  X )
2
1

2
nm

(1.4)

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 (chế độ động cơ) nên giá trị sth và
Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên
đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm
việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này
động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 (s=1) và momen
mở máy:

M mm

3U12 R '2

2
o (R1  R '2 )2  X nm


(1.5)

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

o 

2f1
p

(1.6)

1.2.2: Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ 1.1 của động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông
số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm:
- Điện áp lưới U1.
- Tần số lưới điện cung cấp cho động cơ f1.

- Điện trở, điện kháng mạch stator (nối thêm điện trở phụ R1f và X1f vào
stator).
- Điện trở mạch rotor ( nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rotor đối với
động cơ rotor quấn dây).
- Ảnh hưởng số đôi cực p của động cơ.
Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại lượng:

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 12

GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

2 . f1
p

- Tốc độ đồng bộ:

1 

- Độ trượt tới hạn:

sth  

- Mômen tới hạn:

R2'
2
R12  X nm

M th  



3U 12ph

2
2.1 . R1  R12  X nm



1.2.2.1: Ảnh hưởng của điện áp nguồn cung cấp cho động cơ:
Điện áp lưới U1 thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều. Các tham
số còn lại là hằng số. Khi U1 giảm  ( Mth ) Mômen tới hạn sẽ giảm bình phương
lần độ suy giảm của điện áp. Mth giảm  Uf12 giảm
Trong khi đó tốc độ đồng bộ:

1 

2 . f1
 const
p

Và độ trượt không thay đổi. Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp này.



S

1

Uđm
TN
MC1

Sthđm

U3

0

Mnm3

U2

MC2 Mnm2 Mnm

U1

M

Hình 1.3: Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 13


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh. Tuy nhiên Sth
không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải như:
quạt gió, máy bơm ly tâm.

1.2.2.2 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng stator:

Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f) hoặc điện kháng (X1f) nối
tiếp vào phía stator của động cơ.
Tốc độ từ trường không đổi:

1 = const, Sth giảm , Sth giảm

Do đó đặc tính cơ có dạng:


S

1

0
TN

R1f

X1f
Sthdm

ĐC

R1f

X1f

ĐC
1
0

a)

Mnm

b)

Mnm

M

c)

Hình 1. 4: Động cơ KĐB với R1f và X1f trong mạch stator.
a) Sơ đồ với R1f; b) Sơ đồ với X1f; c) Đặc tính cơ
Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mmm thì đặc tính
cơ ứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f .
Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X1f, hoặc R1f trong

mạch stator khi khởi động.
Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 14


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

1.2.2.3 Ảnh hưởng số đôi cực p:
Để thay đổi số đôi cực ở stator người ta thường thay đổi cách đấu dây:

1 

Từ công thức:

2 . f1
p

và

 = 1(1- s)

Ta thấy thay đổi số cặp cực p thì  1 thay đổi dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi.
Giá trị Sth không phụ thuộc vào p nên không thay đổi khi đó độ cứng đặc tính cơ giữ

nguyên. Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stator nên
một số thông số như U1 (điện áp vào stator) R1, X1 có thể thay đổi do đó từng
trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của động cơ.
ω
ω

S

R2
ω12

P2

ωp2

ω11

P1

R1

ωp1

0

M

0

a)

M
b)

Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ.
a) Thay đổi số đôi cực với P2 = P1/2 và Mth = const.
b) Thay đổi số đôi cực với P2 = P1/2 và P1 = const.

1.2.2.4 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch Rotor:
Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, sử dụng bộ điều chỉnh
xung điện trở, người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rotor .

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 15


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

1 = 2 

Ta có:

.

f = const
1

P
Mth = const
Sth =

R

'

 R2 f
'

2

X

tăng  dòng điện mở máy giảm

nm

S
TN
Sthdm

R2f2

R2f1

R2f
0

Mthdm

a)

M

b)

Hình 1.6: Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor đến đặc tính cơ.

a) Sơ đồ đấu dây ;

b) Đặc tính cơ

Vậy R2f càng tăng, dòng điện khởi động càng giảm, Mkđ tăng lên, sau đó
mômen sẽ giảm. Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm của phụ tải mà
chọn điện trở cho thích hợp.

1.2.2.5 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ:
Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồng
sóc.
Xuất phát từ biêu thức : 1 =

2 .f
P

1

, ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ từ

trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo .

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 16


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Khi f1> f1đm ta có :

 Sth 

R

'



2

2 f  
L L
P
1

1

'
2

 f

1
1



X1 = 1L1 ; X2’ = 1L2’
Mômen tới hạn sẽ giảm theo quy luật :

 M th 

U
8 f
P
2

2
1

2

2



1



L1  L 2
'



1

f

2
1



Thực tế khi f1 tăng phải đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc của
động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép.  max bị hạn chế bởi độ bền cơ khí

của động cơ .
Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:
Khi f1 giảm   1 giảm  Sth tăng  Mth tăng Xnm giảm
Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp.
ω
ω11

f11

ω12

f12

f1 > f1đm

ω1đm
ω13

f1dm

ω14

f13

f1 < f1đm

f14
0

MC

Mthđm

M

Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của
mạch giảm (vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số) với giá trị điện áp giữ
Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 17


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần số cần giảm
điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ định mức.

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:
Khi f1< f1đm với điều kiện

U
f

1

= const thì Mth giữ ở không đổi.

1

Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ
trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng.
1.2.3. Khái quát chung về điều chỉnh tần số động cơ điện không đồng bộ
Để thực hiện điều tần người ta dùng bộ biến tần để làm thay đổi tần số điện áp
cấp cho stator theo đúng quy luật của tín hiệu đặt. Ta có thể chia các bộ biến tần
thành 2 loại: Biến tần dùng máy điện và biến tần dùng van.
Nói chung, các bộ biến tần dùng máy điện đều phức tạp, sử dụng nhiều máy
điện trong đó có máy điện một chiều, công suất tổng cộng lớn, hiệu suất thấp và khó
điều chỉnh. Do đó các bộ biến tần dùng máy điện trong thực tế ít được sử dụng.
Các bộ biến tần dùng van có thể được phân thành ba loại: biến tần trực tiếp,
biến tần gián tiếp. Các bộ biến tần này đều sử dụng van điều khiển động lực

(Thyristors). Khi sử dụng phương pháp điều tần cần chú ý rằng: máy điện được chế
tạo để làm việc ở một tần số định mức, nên khi thay đổi tần số thì chế độ làm việc
của máy điện sẽ bị thay đổi vì tần số ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông máy điện. Do
đó dễ gây hiện tượng quá tải về dòng (khi tần số quá lớn) hoặc nóng máy (khi tần số
quá nhỏ). Cho nên, khi điều tần người ta phải đồng thời thay đổi biên độ điện áp đặt
lên stator.
Mặc dù phương pháp điều tần đã khắc phục được nhiều nhược điểm so với
phương pháp điều áp, đó là: nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng, dễ dàng trong
việc đảo chiều động cơ. Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều vẫn
còn gặp rất nhiều khó khăn, bởi vì động cơ xoay chiều là phần tử phi tuyến mạnh,
phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó khăn khi điều chỉnh tốc độ và
mômen .

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 18


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Chương 2: Phương pháp điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
2.1 Giới thiệu về biến tần
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần,
ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ
phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ

động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống
còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm
đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi
đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề
chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:


Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển

tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.


Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức

tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng
các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều
khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.
Khảo sát cho thấy:



Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.



Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng

quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm),
chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 19


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi



Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không

đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu
về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt


Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.



Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.



Giảm tiếng ồn công nghiệp.



Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.



Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ
thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều

phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh
kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy
biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt
(ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn
nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch
lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu,
bảo trì cũng như thay mới.
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp
ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám
sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất
tải… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong
trường hợp này.
Biến tần thường được chia làm hai loại:

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 20


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

- Biến tần trực tiếp
- Biến tần gián tiếp

2.1.1 Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không
thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ
hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Sơ đồ nguyên lý của biến tần trực tiếp như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp
Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy:
- Bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu cùng nằm trên một

bộ biến đổi.
- Chỉ chuyển mạch một lần nên hiệu suất cao.
- Mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn.
- Biến tần được sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2Vì những nhược điểm trên mà loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
2.1.2 Biến tần gián tiếp
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 21


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy
có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau:
* Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành
điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày
nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong
phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi.
Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu

thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường
dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ
thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà
bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.
* Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.
* Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành
dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập,
nghịch lưu có thể là một trong hai loại sau:
-

Nghịch lưu nguồn dòng: ở dạng này, dòng điện ra tải được định hình trước,

còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm
bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện
cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định
dòng điện.
-

Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng

trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất
tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các
ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.
2.1.2.1 Nghịch lưu dòng điện

Nghịch lưu dòng điện là nghịch lưu sử dụng nguồn một chiều là nguồn dòng.
Trong các biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo
nên nguồn dòng cung cấp cho nghịch lưu.

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 22


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến vì công suất của

nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp.
Nghịch lưu dòng ba pha sử dụng tiristo. Do đó có thể khoá được các tiristo cần
phải có tụ chuyển mạch. Vì mạch nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn
dòng vì vậy Ld   .

+

T1

Id

T3

T5

C1
C3

C5

D1

D3

D5

D4

D6

D2

Z

E
C6

C4
C2
-

T4

T6

T2

Hình 2.3: Sơ đồ nghịch lưu dòng 3 pha.

Do tải luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nên gữa hai tụ luôn luôn có sự
trao đổi năng lượng với nhau nên giữa tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng,
ảnh hưởng này làm cho đường đặc tính ngoài khá dốc và hạn chế vùng làm việc
của nghịch lưu dòng.
Nghịch lưu dòng không chỉ tiêu thụ công suất phản kháng mà còn phát ra công
suất tác dụng vì: dòng id không đổi hướng, nhưng dấu điện áp trên hai đầu nguồn
có thể đảo đấu. Điều đó có nghĩa, khi nghịch lưu làm việc với tải là động cơ xoay
chiều thì động cơ có thể thực hiện hãm tái sinh .

Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 23


GVHD: TS. Phạm Hùng Phi

2.1.2.2 Nghịch lưu nguồn áp
Nghịch lưu nguồn áp là nghịch lưu với đầu vào một chiều điều khiển được.
Điện áp một chiều cung cấp dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu không
điều khiển sau đó điều chỉnh nhờ bộ biến đổi xung áp một chiều.
Nghịch lưu nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật, biên độ được điều
chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều. Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ
thuộc phụ tải. Điện áp ra có độ méo phi tuyến lớn, có thể không phù hợp với một số

loại phụ tải. Hệ số công suất của của sơ đồ không đổi, không phụ thuộc vào tải, tuy
nhiên phải qua nhiều khâu và hiệu suất kém do đó chỉ phù hợp với tải nhỏ.

+

Id
D4
S4

D4
S4

D4
S4

Z

E

C

S4

S4

D4

S4
D4

D4

-

Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha.
So sánh hai bộ biến tần gián tiếp nguồn áp và nguồn dòng:
Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khóa bán dẫn trong cùng một nhánh

của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch
qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại. Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có
thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn. Do đó có thể xem biến tần
nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp.
Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng
về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh. Với bộ biến tần
Học viên: Đinh Văn Hai

Trang 24