Phân tích đánh giá các phương pháp điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ ba pha

Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn của riêng tôi được
thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Tạ Cao Minh. Kết quả nghiên cứu trong
luận văn là hoàn toàn trung thực không sao chép bất kỳ công trình nào khác.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung luận văn không có sự sao chép từ
các luận văn khác.
Hà Nội, ngày 14 tháng 05 năm 2012
Học viên

Phạm Ngọc Chiến


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Tạ Cao Minh, người thầy rất gần gũi đã
đề ra phương hướng, truyền thụ những kinh nghiệm chuyên môn với tất cả niềm
đam mê nghiên cứu khoa học, hết lòng chỉ bảo, tận tình hướng dẫn, dìu dắt và giúp
tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy, cô Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
đã trang bị cho tôi một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Ban Giám Hiệu, Khoa Điện –
Trường Cao Đẳng Nghề số 8, cùng Trường Cao Đẳng Nghề LILAMA2 đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi tham gia học tập, công tác và trong suốt thời gian học tập
cũng như trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Xin cám ơn mẹ và vợ đã động viên tạo nên sức mạnh phi thường để con thực
hiện ước mơ của mình là học tập tốt trở thành người có ích cho xã hội.
Xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn học
cùng khóa đã giúp đỡ, động viên, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học

tập và thực hiện luận văn này.
Đồng nai,ngày 14 tháng 05 năm 2012
Học viên thực hiện

Phạm Ngọc Chiến


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ............. 3
1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ................... 3
1.2. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ......................................................... 4
1.2.1. Phần tĩnh hay stator. ........................................................................ 5
1.2.2. Phần quay hay rotor......................................................................... 5
1. 3. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ. ............................. 7
1.4. Đặc tính cơ của ĐCKĐB. ................................................................... 7
1.5.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB. ............................................. 10
1.5.1. Điều khiển điện áp stator. .............................................................. 11
1.5.2 Điều khiển điện trở rotor. ............................................................... 11
1.5.3. Điều chỉnh công suất trượt. ........................................................... 12
1.5.4. Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ bằng các bộ biến tần... 13
1.6. Ưu, nhược điểm và ứng dụng của ĐCKĐB ..................................... 16
1.6.1. Ưu điểm ......................................................................................... 16
1.6.2. Nhược điểm ................................................................................... 16

1.6.3.Ứng dụng của ĐCKĐB. ................................................................. 17
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ....................... 18
2.1.Véc tơ không gian và hệ tọa độ tĩnh. ................................................ 18
2.2. Chuyển mô hình trong tọa độ abc sang mô hình trong tọa độ dq .... 20
2.3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ ............................................... 22
2.4. Mô hình của ĐCKĐB trong hệ tọa độ αβ ........................................ 24
2.5. Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trong hệ tọa dq ............................. 29
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ . 33
3.1.Nguyên lý điều khiển. ....................................................................... 33
3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển véctơ động cơ không đồng bộ. .......... 33
3.3. Sự tương tự với hệ truyền động một chiều. ...................................... 34


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
3.4. Các phương pháp điều khiển véc tơ ĐCKĐB. ................................. 36
3.4.1 Điều khiển véc tơ gián tiếp............................................................. 36
3.4.2. Điều khiển véc tơ trực tiếp ............................................................ 41
3.5.Xây dựng các bộ quan sát từ thông rotor ĐCKĐB ........................... 40
3.5.1. Ước lượng từ thông dùng mô hình điện áp của động cơ ............... 41
3.5.2. Ước lượng từ thông dùng mô hình dòng điện của động cơ .......... 43
3.5.3. Bộ quan sát từ thông bậc đủ .......................................................... 44
3.5.4. Bộ quan sát từ thông bậc giảm ...................................................... 47
3.6. So sánh hai phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp và trực tiếp... 48
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .............................................. 49
4.1. Mô hình tuyến tính hoá của động cơ: ............................................... 49
4.1.1. Mô hình tuyến tính hoá nhánh điều khiển mômen:....................... 51
4.1.2. Mô hình tuyến tính hóa nhánh điều khiển từ thông: ..................... 52
4.1.3. Mô tả toán học của các khâu tính toán các hàm truyền: ............... 53
4.2. Tổng hợp các mạch vòng dòng điện Risq ........................................ 53
4.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ Rω ....................................................... 55

4.4. Tổng hợp các mạch vòng Risd ......................................................... 58
4.5. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh từ thông Rψ ................................. 59
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................ 60
5.1. Các thông số động cơ ....................................................................... 60
5.1.1. Thông số cho sẵn ........................................................................... 60
5.1.2. Thông số tính toán cần thiết: ......................................................... 60
5.2. Xây dựng mô hình toàn hệ thống ..................................................... 64
5.3. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển véc tơ .................677
5.3.1.Qúa trình khởi động và đưa tải vào hệ thống ...............................677
5.3.2. Quá trình vận hành hệ thống có đảo chiều .................................... 73
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 75
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 77


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ .......................................................... 4
Hình 1.2. Cấu tạo stator ............................................................................................. 5
Hình 1.3. Cấu tạo rotor dây quấn ............................................................................... 6
Hình 1.4.Cấu tạo rotor lồng sóc ................................................................................. 6
Hình 1.5.Sơ đồ thay thế một pha của ĐCKĐB ba pha .............................................. 8
Hình 1.6. Đặc tính cơ của ĐCKĐB 9
Hình 1.7. Đặc tính cơ hệ truyền động khi điều chỉnh tần số điện áp theo luật giữ khả
năng quá tải không đổi............................................................................ 14
Hình 1.8. Quan hệ Is(ωs)khi từ thông không đổi ................................................... 15
Hình 2.1. Sơ đồ cuộn dây và dòng điện của ĐCKĐB ............................................. 18
Hình 2.2. Thiết lập véc tơ khônng gian từ các đại lượng ba pha ............................. 19
Hình 2.3.Biểu diễn dòng stator dưới dạng véc tơ không gian ................................. 20

Hình 2.4. Véc tơ không gian trong hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ dq ............... 20
Hình 2.5. Mô hình liên tục của ĐCKĐB trong hệ tọa độ stato cố định αβ trong
trường hợp cấp bằng biến tần nguồn áp ................................................. 26
Hình 2.6. Mô hình liên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ stator cố định αβ trong
trường hợp cấp bằng biến tần nguồn dòng. ............................................ 27
Hình 2.7. Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái ................. 28
Hình 2.8. Mô hình trạng thái của ĐCKĐB minh họa bởi các ma trận con. ............ 29
Hình 2.9. Mô hình ĐCKĐB 3 pha trên hệ tọa độ dq. .............................................. 31
Hình 2.10. Mô hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq trong trường hợp cấp bằng biến tần
nguồn dòng…..……………………………………………..…..32
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển véc tơ ......................................................... 33
Hình 3.2. Sơ đồ cơ bản của một động cơ một chiều kích từ độc lập. ...................... 34
Hình 3.3. Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp.................. 36
Hình 3.4. Sơ đồ tính góc quay của từ trường theo phương pháp điều khiển véctơ
gián tiếp. ................................................................................................. 38
Hình 3.6. Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển véctơ trực tiếp ................... 39
Hình 3.7. Đồ thị tín hiệu véc tơ đơn vị cos θs, sin θs ................................................ 39


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
Hình 3.8. Cấu trúc hệ điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng bộ quan sát từ thông..... 40
Hình 3.9. Mô hình điện áp ước tính từ thông. ......................................................... 42
Hình 3.10. Mô hình dòng điện ước tính từ thông rotor ........................................... 43
Hình 3.11. Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rotor bậc đủ ............................ 46
Hình 3.12. Mô hình dòng điện và từ thông rotor trong bộ quan sát bậc đủ ............. 47
Hình 3.13. Mô hình bộ quan sát từ thông bậc giảm................................................. 47
Hình 4.1. Mô hình tuyến tính hóa ĐCKĐB quanh điểm làm việc .......................... 50
Hình 4.2. Mô hình ĐCKĐB nhánh điều khiển mômen trong hệ toạ độ dq
để tuyến tính hóa quanh điểm làm việc khi

ψr = const

........................................... 51

Hình 4.3. Mô hình ĐCKĐB nhánh điều khiển mômen đơn giản hóa trong hệ toạ
độ dq ....................................................................................................... 51
Hình 4.4. Mô hình ĐCKĐB nhánh điều khiển từ thông trong hệ toạ độ dq ............ 52
Hình 4.5. Mạch vòng dòng điện và tốc độ ............................................................... 53
Hình 4.6. Mạch vòng dòng điện .............................................................................. 54
Hình 4.7. Cấu trúc mạch vòng dòng điện

Risd ........................................................ 58

Hình 4.8. Cấu trúc mạch vòng dòng điện

isd ........................................................... 58

Hình 4.9. Mạch vòng điều chỉnh từ thông ............................................................... 59
Hình 5.1. Mô hình toàn hệ thống trên Matlab ......................................................... 64
Hình 5.2. Khối hệ truyền động ĐCKĐB theo phương pháp điều khiển véctơ
trực tiếp ......................................................................................... 65
Hình 5.3. Khối F.O.C ............................................................................................... 66
Hình 5.4. Khối tính góc  
tiếp………..686

theo phương pháp điều khiển véc tơ gián

Hình 5.5. Khối F.O.C theo phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp....................... 66
Hình 5.6. Khối tính góc  θ theo phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp ............. 66
Hình 5.7. Đáp ứng dòng điện Isa và Isq và M ........................................................... 67

Hình 5.8. Đáp ứng dòng điện và Isa và M ............................................................... 68
Hình 5.9. Đáp ứng tốc độ và từ thông ...................................................................... 69
Hình 5.10. Đáp ứng dòng điện Isa và Isq và M .......................................................... 70


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
Hình 5.11. Đáp ứng dòng điện Isa và M .................................................................. 71
Hình 5.12. Đáp ứng tốc độ và từ thông..................................................................... 72
Hình 5.13. Đặc tính làm việc .................................................................................... 73
Hình 5.14. Đáp ứng tốc độ ........................................................................................ 73
Hình 5.15. Đáp ứng mô men ..................................................................................... 74


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
vì nó có nhiều ưu điểm nổi bật như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền và
kích thước gọn nhẹ. Tuy nhiên nó có nhược điểm là phi tuyến mạnh nên trước đây
với các phương pháp điều khiển đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho
động cơ một chiều. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cũng như sự
phát triển của lý thuyết điều khiển tự động, điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã
khắc phục được nhược điểm trên, đưa động cơ không đồng bộ trở thành động cơ
phổ biến nhất trong công nghiệp.
Người ta đã tìm ra phương pháp điều khiển véc tơ và chỉ ra rằng động cơ
không đồng bộ có thể được điều khiển như động cơ một chiều. Mô men điện từ có
thể được điều khiển bằng cách điều khiển riêng rẽ hai thành phần: thành phần tạo từ
thông và thành phần tạo mô men. Điều này cũng tương tự như điều khiển riêng rẽ
mạch điện phần ứng và mạch kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Bằng phương pháp điều khiển véc tơ ta có thể xây dựng được một hệ truyền động

điện có chất lượng cao. Có hai phương pháp điều khiển véc tơ cơ bản là phương
pháp điều khiển véc tơ trực tiếp và phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp.
Phương pháp điều khiển vec tơ gián tiếp xác định góc quay của từ trường dựa vào
các đại lượng đầu cực của động cơ nên độ chính xác phụ thuộc vào hằng số thời
gian mạch điện trở rotor. Còn phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp xác định góc
quay của từ trường dựa vào việc đo trực tiếp từ thông hoặc sử dụng mô hình được
cấp bởi các đại lượng đo được để tính từ thông.Trong luận văn này ngoài việc giới
thiệu về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ,còn đi sâu vào phân
tích đánh giá so sánh giữa hai phương pháp điều khiển véc tơ động cơ không đồng
bộ nhằm làm sáng tỏ những ưu nhược điểm của chúng
Nội dung cơ bản của luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan động về động cơ không đồng bộ
Chương 2: Mô hình hóa động cơ không đồng bộ
Chương 3: Điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển
Chương 5: Mô phỏng và đánh giá kết quả
1


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
Sau một thời gian say mê nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự
giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy PGS. TS. Tạ Cao Minh em đã thu được một số kết
quả cụ thể trong việc phân tích đánh giá so sánh giữa hai phương pháp điều khiển
véc tơ động cơ không đồng bộ. Ngoài ra em cũng đã mô phỏng được trên Matlab
Simulink và phân tích so sánh được kết quả sau khi mô phỏng .Tuy nhiên do thời
gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên luận văn của em còn nhiều điều thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn bè đồng
nghiệp để luận văn của em được hoàn thiện hơn.

2

Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB)
ĐCKĐB là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây
quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới điện xoay chiều còn dây quấn còn lại (dây
quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kín qua điện trở. Dòng điện trong cuộn
dây thứ cấp được sinh ra nhờ cảm ứng điện từ, nó có tần số là hàm của tốc độ rotor.
Các máy điện không đồng bộ rất ít khi được sử dụng làm máy phát, chủ yếu
được dùng làm động cơ và là loại thông dụng nhất hiện nay. So với động cơ một chiều
nó có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ, vận hành tin cậy, có thể
dùng trực tiếp lưới điện 3 pha nên có thể không cần thiết bị biến đổi kèm theo.
Về mặt cấu tạo, ĐCKĐB được chia thành 2 loại:
+ ĐCKĐB rotor dây quấn.
+ ĐCKĐB rotor lồng sóc.
Nhược điểm chính của ĐCKĐB là đặc tính mở máy xấu và việc khống chế
quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Tuy nhiên trong những
năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi
xử lý, điện tử, tin học,…đã làm tăng khả năng sử dụng ĐCKĐB ngay cả những
trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện dải rộng với độ chính
xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ
một chiều.
Trong tất cả các loại máy điện xoay chiều thì ĐCKĐB đặc biệt là động cơ rotor
lồng sóc được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do kết cấu đơn giản, làm việc
chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, kích thước gọn nhẹ, làm việc với dải công suất
rộng từ vài mã lực đến hàng nghìn kW. Ngoài ra, ĐCKĐB dùng trực tiếp lưới điện xoay
chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.

Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động
lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công
nghiệp nhẹ, trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió,…
3


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm.
Trong đời sống hàng ngày, ĐCKĐB dùng làm quạt gió, máy quay đĩa, động cơ
trong tủ lạnh,…
Tóm lại, cùng với sự phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh
vực điều khiển, tự động hóa thì phạm vi ứng dụng của ĐCKĐB ngày càng rộng rãi.
Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ cũng có những nhược điểm như là hệ số
công suất của máy thường không cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ và khống chế các
quá trình quá độ khó khăn nên ứng dụng ĐCKĐB cũng có phần bị hạn chế.
1.2.Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Giống như các máy điện quay khác, ĐCKĐB gồm các bộ phận chính: stator
và rotor

Hình1.1: Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

4


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
1.2.1.Phần tĩnh hay stator.
Phần tĩnh hay còn gọi là stator của ĐCKĐB gồm có vỏ máy, lõi thép stator
và dây quấn.

Hình 1.2: Cấu tạo stator

Vỏ máy. Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm
mạch dẫn từ. Đối với máy có công suất nhỏ thì vỏ máy được làm bằng gang còn với
máy công suất tương đối lớn ( 1000 Kw ) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ.
Vỏ máy có chân đế cố định, hai đầu của vỏ máy có nắp máy để bảo vệ dây quấn.
Lõi sắt: Là phần dẫn từ, để giảm tổn hao sắt từ lõi sắt được làm bằng những lá
thép kỹ thuật điện dày 0,55mm ép lại.
Dây quấn: Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách
điện tốt với lõi sắt.
1.2.2. Phần quay hay rotor.
Phần này có 2 bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn.
Lõi sắt: Dùng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, được ép trực tiếp lên trục
máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt
dây quấn.
Dây quấn rotor: Phân làm 2 loại rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc.
- Loại rotor kiểu dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator.

5


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

Vành trượt

Hình 1.3: Cấu tạo rotor dây quấn
Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp
sẽ bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ
thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của roto thường đấu
hình sao, còn 3 đầu kia được nối vào 3 vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố
định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch ngoài.
Đặc điểm: Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào

mạch rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số
công suất của máy. Khi làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.
- Loại rotor kiểu lồng sóc:

Hình 1.4:Cấu tạo rotor lồng sóc
Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh
của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được
nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một
cái lồng gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải
6


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor có thể làm
thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc (gọi là lồng sóc kép).
1. 3. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ.
Máy điện không đồng bộ là máy điện quay làm việc dựa trên nguyên lý cảm
ứng điện từ. Khi ta cho dòng điện ba pha chạy vào dây quấn ba pha đặt đối xứng
trong lõi thép stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc
độ đồng bộ

n1 = 60f1 /Pp . Trong đó n1 là tốc độ đồng bộ,f1 là tần số dòng điện

đưa vào stator và Pp là số đôi cực của động cơ. Từ trường này quét qua các thanh
dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng trong chúng sức điện động. Do dây quấn rotor
được nối ngắn mạch nên trong nó có dòng điện cảm ứng chạy qua. Từ trường tạo
bởi dòng điện rotor sinh ra kết hợp với từ trường của stator tạo thành từ thông
tổng ở khe hở không khí. Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông
khe hở này sinh ra lực F và mô men M quay có chiều xác định theo quy tắc bàn
tay trái.Mô men này kéo rotor quay theo chiều của từ trường quay.Điện năng đưa

tới roto đã biến thành cơ năng trên trục động cơ.Tuy nhiên động cơ chỉ làm việc ở
chế độ này khi 0từ trường và dây quấn rotor và như vậy trong dây quấn rotor mới có dòng điện và
mô men kéo rotor quay .Do tốc độ quay của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ của từ
trường quay nên động cơ được gọi là ĐCKĐB.
1.4. Đặc tính cơ của ĐCKĐB.
Để thành lập phương trình đặc tính cơ của ĐCKĐB ta sử dụng sơ đồ thay thế với
các giả thiết sau
-

Ba pha động cơ là đối xứng.

-

Các thông số của động cơ là không đổi.

-

Tổng mạch từ hóa là không đổi,dòng từ hóa chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt
vào stator động cơ.

-

Bỏ qua tổn thất ma sát,tổn thất trong lõi thép.

-

Điện áp lưới hoàn toàn hình sin và đối xứng.
Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ.

7


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

Hình 1.5:Sơ đồ thay thế một pha của ĐCKĐB ba pha
Trong đó: U1- trị số hiệu dụng của điện áp stator (V).
I0, I1, I’2, - dòng điện từ hoá, dòng điện stator, và dòng điện rotor đã quy
đổi về stator(A).
X0, X1, X’2, - điện kháng mạch từ hoá, điện kháng stator, và điện kháng
rotor đã quy đổi về stator (Ω).
R0, R1, R’2, - điện trở tác dụng của mạch từ hoá, của mạch stator, và của
mạch rotor đã quy đổi về stator (Ω).
Từ sơ đồ hình 2-24 ta viết được biểu thức của dòng điện rotor I’2 đã quy đổi
về stator như sau:
U1
I '2 =
(1-1)
' 2
⎛
⎞
R
⎜ R1 + 2 ⎟ + X 2
nm
⎜
s ⎟⎠
⎝
Trong đó : Xnm = X1 + X’2 – điện kháng ngắn mạch của động cơ (Ω).
Hệ số trượt s- là độ chênh lệch giữa tốc độ góc của rotor ω so với tốc độ từ trường
ω −ω

quay ω1 tính theo đơn vị tương đối: s = 1
ω1
Việc tính quy đổi điện trở và điện kháng rotor về stator được thực hiện theo công
thức:
X’2 = X2 .K2e
(1-2)
R’2 = R2 .K2e
Trong đó : Ke =

E1

- hệ số biến đổi sức điện động của dây quấn stato và roto
E2nm. f
(giá trị pha), có thể xác định gần đúng theo điện áp lưới:
K e = 0,95.

U1

(1-3)

E 2 nm . f

8


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

E2nm. f - Sức điện động pha rotor khi hở mạch và rotor động cơ đứng yên.
Phương trình đặc tính cơ được suy ra từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ:
P12 = Pcơ + ∆P

Trong đó: P12 = Mđt. ωs
Pcơ = M. ω

(1-4)

- công suất điện từ chuyển từ stator vào rotor.
- công suất cơ đưa ra trục,

2

∆P =3.I’ 2. R’2 - công suất tổn hao đồng rotor.
Với giả thuyết rằng: Mđt = Mcơ = M
Như vậy (1-4) được viết gần đúng như sau:

Mωs = Mω + 3I '22.R'2 hoặc M (ω − ωs ) = 3I '22.R'2 hoặc M
Thay s =

  =3

,

,

ωs − ω
ta rút ra được phương trình mômen như sau:
ωs
3I '22.R'2 3I 22.R2
=
M=
ωs .s

ωs .s

(1-5)

Nếu thay giá trị I’2 bằng biểu thức (1-1) , ta được:

M=

3.U1.R'2
' 2
⎡⎛
⎤
R2 ⎞
ωs .s.⎢⎜⎜ R1 + ⎟⎟ + X nm2 ⎥
s ⎠
⎢⎣⎝
⎥⎦

(1-6)

Từ phương trình (1-6) ta có đặc tính cơ của ĐCKĐB:

Hình 1.6: Đặc tính cơ của ĐCKĐB
Độ trượt tới hạn: s th =

Mômen tới hạn: M th =

R '2
R 2 1 + X nm

2

3.U 21
2
2ω s ⎡⎛⎜ R1 + R 21 + X nm ⎞⎟ ⎤
⎢⎣⎝
⎠ ⎥⎦

9

(1-7)

(1-8)


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
1.5.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB.
ĐCKĐB 3 pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ những ưu điểm
kết cấu đơn giản, vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha.
Nhược điểm lớn nhất của ĐCKĐB là điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn.
Theo phương trình mô men của động cơ(1.6),ta có thể dựa vào đó để điều khiển
mômen bằng cách thay đổi các thông số như điện áp cung cấp, điện trở phụ, tốc độ
trượt và tần số nguồn.
Tới nay đã có các phương pháp điều khiển chủ yếu sau:

Hai phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi điện trở rotor và điều
chỉnh công suất trượt chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn.

10

Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
1.5.1. Điều khiển điện áp stator.
Do mômen ĐCKĐB tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó có thể điều chỉnh
được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stator trong khi
giữ nguyên tần số. Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi
điện năng (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator. Phương
pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được không tốt, chỉ thích hợp với truyền
động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như phụ tải máy bơm, quạt gió.
1.5.2 Điều khiển điện trở rotor.
Khi điều chỉnh thông số mạch điện rotor có thể điều khiển được tốc độ động cơ.
Khi điện trở rotor Rr tăng, Mth = const, dẫn đến Sth tăng tỷ lệ bậc nhất với
điện trở rotor.
Rr = Rrd +Rf
s =Si.RI/Rrd
M = const
Trong đó: s là độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rr
Si là độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rrd
Rrd là điện trở dây quấn rotor
Rf là điện trở ngoài mắc thêm vào mạch
Rr là điện trở trong mạch rotor
Thay vào biểu thức momen ta được:
M = 3Ir2Rrd/

.Si

(1.9)

Nếu giữ Ir = const thì M = const và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì
thế phương pháp này có thể áp dụng cho truyền động có momen tải không đổi như

trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nước bằng việc điều khiển tiếp
điểm hoặc tiristor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của rotor ta điều khiển được
tốc độ động cơ.
Phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ.
Nhược điểm: đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp, vùng điều chỉnh
không rộng.

11


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
1.5.3. Điều chỉnh công suất trượt.
Khi ĐCKĐB làm việc ở tốc độ

ứng với độ trượt s nào đó ,công suất lấy từ

lưới điện sau khi chuyển thành công suất điện từ (P1=Mđt

 )sẽ được chia thành

hai phần chính : công suất cơ đưa ra trục động cơ (

) và công suất trượt

chuyển vào mạch rotor (∆   =

ơ=

)giả thiết bỏ qua các tổn thất trên các dây quấn,lõi

thép và ma sát trên ổ trục ta có
=

ơ +∆

Công suất ∆

được tiêu tán vô ích trên điện trở mạch rotor dưới dạng

nhiệt,nên nó được coi như công suất tổn thất – gọi là tổn thất trượt và tỷ lệ với độ
trượt s.Điều chỉnh tốc độ càng sâu ,độ trượt càng lớn thì tổn thất càng lớn,do đó chỉ
tiêu năng lượng của phương pháp đang xét càng thấp.Vì vậy,đối với các ĐCKĐB
rotor dây quấn công suất lớn,có khả năng phát sinh ∆

lớn ,người ta sử dụng

phương pháp điều khiển theo sơ đồ tầng,nhằm mục đích sử dụng có ích công suất
trượt khi điều chỉnh sâu tốc độ
Nếu giữ dòng điện cấp vào động cơ là định mức(
động cơ cũng là định mức :
ơ=

- ∆ =

đ

.

=

-  

đ

.

đ

.
s=  

đ

) thì công suất điện từ của

.Công suất cơ chuyển cho máy sản xuất sẽ là
.

đ

(1-s)

(1.10)

Như vậy,công suất cơ cấp cho máy sản xuất sẽ phụ thuộc độ trượt tức là phụ thuộc
vào tốc độ làm việc.Từ công thức trên ta xác định được momen tải cho phép của động
cơ cũng là định mức :
ơ=

- ∆ =

đ

=
.

.

đ

-  

đ

.Công suất cơ chuyển cho máy sản xuất sẽ là
.

s=  

đ

.

(1-s)

(1.11)

Như vậy,công suất cơ cấp cho máy sản xuất sẽ phụ thuộc độ trượt tức là phụ
thuộc vào tốc độ làm việc.Từ công thức trên ta xác định được momen tải cho phép
của động cơ như sau:

= 

  = 

   đ .

Trong đó =

 =  

đ

 = const

(1.12)

(1-s) – là tốc độ làm việc của động cơ

Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
Khi điều chỉnh với

 

 được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy

năng lượng ∆Ps ra phát lên lưới).
12


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

 

• Khi điều chỉnh với 

(s< 0): điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ

(nhận năng lượng ∆Ps vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc
truyền động động cơ hai nguồn cung cấp.
Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ.
Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi 

giảm còn 1/3 

thì ∆Ps =2/3.P1

tức là công suất động cơ một chiều dùng để tận dụng ∆Ps phải gần bằng động cơ
chính (động cơ xoay chiều), nếu không thì lại không nên điều chỉnh sâu tốc độ.
Trong thực tế ít khi sử dụng phương pháp này.
1.5.4. Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ bằng các bộ biến tần.
Quy luật điều chỉnh tần số
Tần số nguồn điện cấp cho ĐCKĐB quyết định giá trị từ trường quay cũng
như tốc độ không tải lý tưởng ω0 = 2πf1 / Pp ( rad/s) nên bằng việc thay đổi tần số
nguồn cấp cho phần cảm, ta có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ.
Khi thay đổi tần số nguồn cấp thì trở kháng động cơ thay đổi kéo theo dòng điện
từ thông thay đổi. Cụ thể, khi giảm tần số nguồn thì cảm kháng giảm ( X L = 2πfL)
và dòng điện sẽ tăng lên. Do đó, muốn động cơ không bị quá dòng thì cần phải giảm
điện áp theo tần số.
Luật điều chỉnh tần số điện áp giữ khả năng quá tải không đổi
Người ta đã chứng minh được rằng khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều chỉnh
điện áp cấp cho phần cảm sao cho hệ số quá tải λ  = 

giữ không đổi thì động

cơ làm việc ở chế độ làm việc với các thông số định
λ =

=

đ

(1.13)

đ

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì mô men tới hạn của động cơ là:
                    

(1.14)

=

Từ hai biểu thức trên ta có thể tính được:
=    

đ
đ

  .

(1.15)

đ

Đặc tính cơ của máy sản xuất có thể được viết gần đúng như sau:
13


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
                          

 =

đ

(1.16)

.

Ở chế độ xác lập thì M = Mc nên:
   

      

đ

 = 

/
đ

/

(1.17)

đ

Từ biểu thức trên ta có thể có đặc tính cơ hệ truyền động khi điều chỉnh tần số điện
áp theo luật giữ khả năng quá tải không đổi.

Hình 1.7: Đặc tính cơ hệ truyền động khi điều chỉnh tần số điện áp theo luật
giữ khả năng quá tải không đổi.
Luật điều chỉnh tần số điện áp giữ từ thông không đổi.Chế độ định mức là chế
độ làm việc tối ưu của các động cơ.
Khi đó, từ thông động cơ đạt giá trị định mức và mạch từ có công suất tối đa.
Luật điều chỉnh tần số điện áp ( 1.17) là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trên
toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên, từ thông động cơ trên mỗi đặc tính lại phụ thuộc vào
độ trượt s tức là phụ thuộc vào mô men tải trên trục động cơ. Do đó, để giữ cho từ
thông động cơ không đổi nhất là ở vùng tần số làm việc thấp cần phải tìm cách bù
từ thông.
Từ quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor:
=  . 1

(1.18)

Ta thấy để giữ từ thông rotor không đổi Ψ r = Ψ
được điều chỉnh theo độ trượt theo quy luật hình vẽ.

14

rdm

thì dòng điện stator phải


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

Hình1.8: Quan hệ Is(

)khi từ thông không đổi

Các phương pháp điều chỉnh tần số ĐCKĐB.
Nhìn chung các ĐCKĐB thường được điều khiển theo các phương pháp sau:
- Phương pháp điều khiển vô hướng:
Trong phương pháp này, tần số và biên độ của dòng điện và điện áp được điều
khiển độc lập nhau.Tần số được điều khiển ở khâu nghịch lưu của biến tần còn biên
độ được điều khiển nhờ điều khiển biên độ của dòng điện hoặc điện áp của khâu
một chiều thông qua khâu điều khiển khâu chỉnh lưu.
- Phương pháp điểu khiển véc tơ:
Trong phương pháp này, tần số và biên độ của dòng điện và điện áp cung cấp
cho động cơ được điều khiển thông qua điều khiển các thành phần dòng điện trên
hai trục tọa độ dq quay đồng bộ với véc tơ từ thông rotor.
- Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men:
Trong phương pháp này, mô men được điều chỉnh trực tiếp nhờ các bộ điều
chỉnh có trễ với logic chuyển mạch tối ưu. Bộ điều chỉnh sẽ tính toán nhanh và
chính xác các giá trị thực của mô men động cơ, tốc độ quay của rotor, từ thông với
các tín hiệu vào là dòng điện và điện áp các pha của động cơ.
Kết luận:
Trong bốn phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cấp –
đặc biệt là điều khiển véc tơ là một phương pháp mạnh, ngày càng được ứng
dụng rộng rãi vì nó sử dụng rotor lồng sóc với nhiều ưu điểm đã nói ở trên.

Ngoài ra, với phương pháp điều khiển véc tơ thì ĐCKĐB có thể được điều khiển

15


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
như động cơ một chiều. Bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ gắn với véc tơ không
gian của từ thông từ hóa, từ thông stator hoặc từ thông rotor thì biểu thức xác
định mô men điện từ sẽ tương tự như mô men điện từ của động cơ điện một
chiều kích từ độc lập.Như vậy, mô men điện từ có thể được điều khiển bằng cách
điều khiển riêng rẽ hai thành phần: thành phần sinh từ thông và thành phần sinh
mô men. Điều này cũng tương tự như điều khiển riêng rẽ mạch phần ứng và
mạch kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Điều khiển véc tơ có
thể được thực hiện với cả hệ thống ĐCKĐB - biến tần nguồn áp hoặc ĐCKĐB biến tần nguồn dòng và ĐCKĐB - biến tần trực tiếp.
1.6. Ưu, nhược điểm và ứng dụng của ĐCKĐB
1.6.1. Ưu điểm
- Trong công nghiệp hiện nay, phần lớn đều sử dụng ĐCKĐB 3 pha vì nó có
cấu tạo đơn giản, tiện lợi và giá thành hạ hơn so với động cơ một chiều.
- ĐCKĐB 3 pha dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không phải tốn
kém thêm các thiết bị biến đổi. Ngoài ra. ĐCKĐB ba pha còn có ưu điểm là vận
hành tin cậy, giảm chi phí vận hành, bảo trì, sửa chữa và kích thước nhỏ gọn.
Ưu thế trước đây của ĐCKĐB rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh không
còn nữa. Sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý, điện tử công suất
với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công việc điều khiển phức
tạp ĐCKĐB rotor lồng sóc. Do vậy, luận văn chỉ đi sâu vào phương pháp điều
khiển biến tần ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc.
1.6.2. Nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm trên thì ĐCKĐB còn có những nhược điểm sau:
Dễ phát nóng đối với stator, nhất là khí điện áp lưới tăng và đối với roto khi
điện áp lưới giảm.

Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ.
Khi xảy ra trường hợp sụt áp thì mô men giảm nhiều do mô men tỷ lệ với bình
phương điện áp.

16


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 
1.6.3.Ứng dụng của ĐCKĐB.
Các máy điện không đồng bộ chủ yếu được dùng làm động cơ còn làm máy
phát thì rất hãn hữu.
ĐCKĐB là động cơ thông dụng nhất, được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với
động cơ khác.
ĐCKĐB có ưu điểm rất lớn: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận
hành an toàn, tin cậy và chắc chắn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay
chiều ba pha nên không cần thiết bị biến đổi kèm theo.
Nhược điểm chính của ĐCKĐB là mở máy xấu, điều chỉnh tốc độ và khống
chế các quá trình quá độ khó khăn. Các động cơ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu
khởi động xấu hơn.
Chương tiếp theo của luận văn sẽ đi sâu vào phân tích và mô hình hóa
ĐCKĐB trên cơ sở lý thuyết véc tơ để từ đó xây dựng sơ đồ cấu trúc của động cơ
ĐCKĐB, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổng hợp các bộ điều chỉnh về sau.
Ngoài ra, ở chương này cũng trình bày về phép quy đổi các đại lượng 3 pha của
ĐCKĐB dưới dạng các véc tơ không gian (a, b, c) thành các đại lượng véc tơ
được mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d, q). Ưu điểm của phương
pháp mô tả ĐCKĐB 3 pha trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor là chuyển đổi
được cấu trúc mạch và mối quan hệ phức tạp của các đại lượng 3 pha thành các
tương quan một chiều nhằm đạt được các tính năng điều khiển tương tự như động
cơ một chiều.

Trong những năm gần đây do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử
công suất vi điện tử và tin học.. đã tăng khả năng sử dụng ĐCKĐB ngay cả trong
những trường hợp khi yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện trong giải
rộng và với độ chính xác cao mà trước đây vẫn phải dùng động cơ điện một
chiều. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi hệ thống làm việc trong môi trường có
hoạt chất hoá học ăn mòn, bụi bẩn, dễ cháy nổ, việc sử dụng động cơ rotor lồng
sóc sẽ an toàn, tin cậy hơn nhiều so với việc sử dụng động cơ một chiều.

17


Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật 

CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác tới mức
tối đa đối tượng điều chỉnh. Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính
thời gian của đối tượng điều chỉnh. Tuy nhiên, mô hình ở đây chỉ để phục vụ cho
việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh mà không nhằm mục đích mô phỏng chính
xác về mặt toán học đối tượng động cơ. Do đó, để đơn giản hóa mô hình nhằm tạo
điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế sau này, khi đi xây dựng mô hình toán học của
ĐCKĐB ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau :
-

Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

-

Các tổn hao sắt từ và sự 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 đổi.

2.1.Véc tơ không gian và hệ tọa độ tĩnh.
ĐCKĐB ba pha có ba cuộn dây stator giống nhau đặt lệch nhau 1200 được cấp
điện từ nguồn ba pha

Hình 2.1 : Sơ đồ cuộn dây và dòng điện của ĐCKĐB
Giả sử có ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng hình sin chạy từ lưới vào động cơ.
Khi động cơ được điều khiển bởi biến tần thì đó là ba đầu ra của biến tần. Nếu điểm
trung tính của ba cuộn dây stator không nối đất thì ba dòng điện này thoả mãn
phươngtrình:
isa + isb + isc = 0

(2.1)

18