Thiết kế chế tạo mô hình bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha

Mục lục
I.

Giới thiệu về động cơ xoay chiều 1 pha và các phương án điều khiển

tốc độ động cơ .............................................................................................................. 4
1.1. Khái niệm, đặc điểm của động cơ không đồng bộ ....................................... 4
1.1.1.

Khái niệm ............................................................................................... 4

1.1.2.

Đặc điểm................................................................................................. 4

1.2. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ một pha.............................................. 5
1.2.1.

Stato (phần tĩnh).................................................................................... 5

1.2.1.1. Lõi thép stato ......................................................................................... 5
1.2.1.2. Dây quấn ................................................................................................ 5
1.2.1.3. Vỏ máy.................................................................................................... 5
1.2.2.

Rôto (phần quay) ................................................................................... 6

1.2.2.1. Rôto kiểu dây quấn ............................................................................... 6
1.2.2.2. Rôto lồng sóc .......................................................................................... 6
1.2.3.

Khe hở .................................................................................................... 7

1.3. Nguyên lí làm việc ........................................................................................... 7
1.4. Các phương trình cân bằng điện từ trong động cơ không đồng bộ .......... 9
1.4.1.

Phương trình cân bằng điện trong dây quấn stato ............................ 9

1.4.2.

Phương trình cân bằng điện ở dây quấn rôto .................................... 9

1.4.3.

Phương trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ .................. 10

1.5. Mở máy động cơ không đồng bộ 1 pha ...................................................... 10
1.5.1.

Dùng dây quấn phụ mở máy .............................................................. 10

1.5.2.

Dùng vòng ngắn mạch ở cực từ ......................................................... 11


1.6. Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha............ 11
1.6.1.

Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số ............................................. 12

1.6.2.

Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực ...................................... 12

1.6.3.

Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện áp .............................................. 13

ô hình hoá và tạo khối cho bộ sản phẩm ...................................................... 13

II.

2.1. Bộ điểu khiển PID ......................................................................................... 13
2.1.1.

Giới thiệu bộ điều khiển PID ............................................................ 14

2.1.2.

Các khâu của hệ PID ......................................................................... 14

2.1.2.1.

Khâu tỉ lệ .......................................................................................... 14

2.1.2.2.

Khâu tích phân ................................................................................ 15

2.1.2.3.

Khâu vi phân.................................................................................... 15

2.1.3.

Điều chỉnh PID ................................................................................... 16

2.2. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển ổn định ...................................... 16
2.2.1.

Sơ đồ khối tổng quát ........................................................................... 16

2.2.2.

Nguyên lí của hệ thống........................................................................ 17

2.3. Mô hình hóa của động cơ không đồng bộ 1 pha ........................................ 18
2.3.1.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ................... 18

2.3.2.

Hàm truyền của động cơ .................................................................... 20

2.3.3.

Tổng hợp mô hình hóa trên hệ thống ................................................ 21

III. Thiết kế chế tạo mô hình bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ không
đồng bộ 1 pha ............................................................................................................. 24
3.1. Mạch công suất ............................................................................................. 24
3.2.

Mô hình hóa khối phản hồi ..................................................................... 27

3.2.1.

Giới thiệu Encoder ............................................................................. 27
2


3.2.2.

Nguyên lí cơ bản ................................................................................. 29

3.2.3.

Mô hình hoá Encoder ........................................................................ 29

3.3. Mạch điều khiển............................................................................................ 30
3.3.1.

Arduino Uno R3 .................................................................................. 30

3.3.2.

Màn hình LCD 16*2 và module giao tiếp I2C.................................. 32

3


I.

Giới thiệu về động cơ xoay chiều 1 pha và các phương án điều
khiển tốc độ động cơ

1.1.

Khái niệm, đặc điểm của động cơ không đồng bộ

1.1.1. Khái niệm
-

Máy điện không đồng độ là máy điện xoay chiều làm việc theo
nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc dộ quay roto(n) khác với tốc
độ của từ trường quay n1.

- Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể
làm việc ở chế độ động cơ cũng như làm việc ở chế độ máy phát.

Hình 1.1. Động cơ không đồng bộ
1.1.2. Đặc điểm
- Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành
- Có thể đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha
- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao,
giá thành rẻ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc
nơi có nguy cơ xáy ra cháy, nổ cao.
- Nhược điểm: Vì các thông số của máy điện xoay chiều là các

thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về
mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều, cho nên việc tách
riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điều khiển
độc lập đòi hỏi 1 hệ thống tính toán nhanh và cực kì chính xác
4


trong việc quy đổi các giá trị điện xoay chiều về các biến đơn
giản hơn. Vì vậy, thời gian gần đây phần lớn các động cơ xoay
chiều làm việc có ứng dụng tốc độ không đổi do các phương
pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt hơn và
hiệu suất thấp hơn hẳn.
1.2.

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ một pha

1.2.1. Stato (phần tĩnh)
1.2.1.1. Lõi thép stato
- Bộ phận dẫn từ của máy có dạng hình trụ. Vì từ trường đi qua lõi
thép là từ trường xoáy nên để làm giảm tổn hao, tránh dòng diện
Fuco thì lõi thép được cấu tạo gồm các lá thép kĩ thuật điện dày
0.35~0.5mm và được phủ sơn cách điện.
- Phía trong có xe rãnh để đặt dây quấn.

Hình 1.2. Lõi thép stato
1.2.1.2. Dây quấn
- Dây quấn stato là dây đồng được bọc 1 lớp cách điện mỏng, đặt
trong các rãnh của lõi thép.
1.2.1.3. Vỏ máy
- Vỏ máy được làm bằng nhôm hoặc gang

- Hai đầu có nắp máy, trong nắp có ổ đỡ trục
- Vỏ và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy
- Vỏ máy có thiết kế các cánh bên cạnh có tác dụng tăng sức chịu
lực và tản nhiệt cho máy
5


1.2.2. Rôto (phần quay)
1.2.2.1. Rôto kiểu dây quấn
- Lõi thép gồm các lá thép kĩ thuật điện giống như stato, các lá
thép này được lấy từ phần trong sau khi dập lá thép stato. Mặt
ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto, ở giữa có gắn với trục
máy. Trục máy được gắn với lõi thép rôto và làm bằng thép tốt.

Hình 1.3. Lõi thép rôto dây quấn
1.2.2.2. Rôto lồng sóc
Kết cấu khác rôto dây quấn, các dây quấn là các thanh
đồng đặt trong rãnh của lõi thép rôto, hai đầu các thanh dẫn được
nối với nhau bằng một vòng đồng ngắn mạch để tạo thành “lồng
sóc”. Đối với các động cơ có công suất nhỏ, lồng được chế tạo
bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của lõi thép rôto, tạo thành
thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh làm mát.
Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép
rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành 2 rãnh gọi là
lồng sóc kép dùng cho máy có công suất lớn để cả thiện tính
năng mở máy. Với động cơ công suất nhỏ, rãnh rôto thường đi
chéo một góc so với tâm trục.

6

Hình 1.4. Rôto lồng sóc
1.2.3. Khe hở
- Giữa stato và rôto có một khe hở không khí, khe hở rất nhỏ
thường chỉ là 0.2~1mm. Mạch từ động cơ không đồng bộ khép
kín từ stato sang rôto qua khe hở không khí. Khe hở không khí
càng lớn thì dòng từ hóa gây ra từ thông cho máy càng lớn thì hệ
số công suất càng lớn.
1.3.

Nguyên lí làm việc
Khi dây quấn làm việc với lưới điện 1 pha, dòng điện trong dây
quấn stato sẽ sinh ra từ trường đập mạch B. Vì không phải là từ
trường quay nên động cơ vẫn chưa thể quay được. Nếu lúc này ta
lấy tay quay rôto theo 1 hướng nhất định thì rôto sẽ tiếp tục quay
theo hướng đó. Phân tích B thành hai từ trường quay B1 và B2, quay
ngược chiều nhau, cùng với tốc độ n1 và biên độ bằng nửa biên độ
của từ trường đập mạch: B1m = B2m = Bm

Hình 1.5. Đồ thị vecto
7


Trên đồ thị vecto ta thấy rõ: khi từ trường B biến thiên được
chu kì thì B1 và B2 quay được

vòng với chiều tương ứng. Tốc độ

quay của B1 và B2 bằng tốc dộ từ trường đập mạch B:
n1 =

Từ trường B1 có chiều quay thuận tạo ra từ trường thuận. Từ
trường B2 có chiều quay ngược sẽ tạo ra từ trường ngược. Các từ
trường B1 và B2 tác động vào thanh dẫn rôto tạo nên các momen
quay thuận, ngược M1, M2 tương ứng. Nếu tốc độ của rôto là n
(vòng/phút) thì hệ số trượt đối với từ trường thuận M1:

Hệ số trượt đối với từ trường quay ngược M2:

Momen quay của động cơ là tổng đại số của hai momen M1 và
M2. Từ đường đặc tính momen: khi mở máy, s =

= 1, các

momen M1, M2 nên Mmởmáy = 0, động cơ không tự mở máy được.
Nếu tác động và rôto theo chiều nào đó, tức là làm cho s
lúc đó động cơ có momen M

1 thì

1, sẽ tiếp tục quay theo chiều đó.

Hình 1.6. Đường đặc tính momen của động cơ
Do có từ trường ngược nên Mmax, ŋ, hệ số cosφ của động cơ
KĐB một pha nhỏ hơn động cơ điện 3 pha cùng công suất.
8


1.4.

Các phương trình cân bằng điện từ trong động cơ không đồng

bộ

1.4.1. Phương trình cân bằng điện trong dây quấn stato
Dây quấn stato trong động cơ KĐB tương tự như dây quấn của
máy biến áp. Từ đó ta có phương trình cân bằng điện áp trong dây
quấn stato như sau:
̇

̇

̇ ̅

U1 là điện áp đặt lên 1 pha dây quấn stato

- I1 là dòng điện đặt lên 1 pha dây quấn stato
- Z1 là tổng trở phức 1 pha dây quấn stato
- E1 là sức điện động pha dây quấn stato
E1 = 4,44.w1.f.kdq1.∅m
+ w1 là số vòng dây quấn stato
+ kdq1 là hệ số dây quấn 1 pha stato
+ ∅m là biên độ từ thông của từ trường quay
1.4.2. Phương trình cân bằng điện ở dây quấn rôto
Dây quấn rôto được coi như dây quấn thứ cấp máy biến áp, xong
ở động cơ rôto nối mạch và chuyển động đối với từ trường quay tốc
độ trượt:
Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số f2:

Tần số suất điện động rôto khi quay và khi đứng yên lệch nhau
hệ số
Khi rôto đứng yên thì tần số suất điện động dây quấn roto bằng

suất điện động dây quấn stato, trường hợp giống như máy biến áp.
+ Khi roto đứng yên s = 1, tần số suất điện động và dòng điện
roto f2 = f

9


+ Khi roto quay, s < 1, tần số suất điện động và dòng điện roto f2
= fs
+ So sánh suất điện động lúc roto quay và lúc đứng yên: E2s = E2
Phương trình cân bằng điện lúc roto quay:
̇

̇( ̇

̇ )

1.4.3. Phương trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ
Khi động cơ làm việc từ trường quay trong máy do cả 2 dòng
điện ở dây quấn stato và dây quấn roto sinh ra.
Dòng điện trong dây quấn stato sinh ra từ trường quay với tốc độ
ŋ1 .
Dòng điện trong dây quấn roto sinh ra từ trường quay roto, quay
với tốc độ ŋ2 so với 1 điểm trên roto. Roto quay so với stato tốc độ
ŋ.
Tốc độ của từ trường dây quấn roto so với stato:
ŋ2 + ŋ = s ŋ1 + (1 – s) ŋ1 = ŋ1
Phương trình cân bằng từ của động cơ điện:
̇
1.5.

̇

̇

̇

̇

Mở máy động cơ không đồng bộ 1 pha

1.5.1. Dùng dây quấn phụ mở máy
Dây quấn phụ có 2 loại hoặc chỉ dùng để mở máy (mở máy xong
thì ngắt ra khởi lưới điện) hoặc làm việc lâu dài cùng động cơ.
Dây quấn phụ có tác dụng tạo ra từ trường, phối hợp với từ
trường dây quấn chính tạo ra từ trường quay sinh ra momen mở máy
ban đầu.
Dây quấn phụ phải đặt trong một số rãnh của stato sao cho sinh
ra từ thông lệch với từ thông chính 1 góc 900, tạo ra sự chênh lệch
10


pha giữa 2 dòng điện trong dây quấn, bằng cách mắc nối tiếp dây
quấn phụ với tụ điện C hoặc điện cảm L.
Trên thực tế thì chúng ta thường sử dụng loại mắc nối tiếp với tụ
điện C
1.5.2. Dùng vòng ngắn mạch ở cực từ
- Áp dụng cho động cơ công suất nhỏ, mở máy không tải hoặc tải
nhỏ.
- Cực từ được chia làm 3 và cho vào đó 1 vòng ngắn mạch.

- Khi điện áp 1 pha vào dây quấn sẽ có từ trường đập mạch chính
là ∅c.
Một phần từ trường này gọi là ∅’c xuyên qua vòng ngắn mạch,
trong vòng này sẽ sinh ra 1 từ thông ∅n.
Từ thông ∅n tác dụng với ∅’c để sinh ra từ thông phụ ∅f đi qua
vòng ngắn mạch. Ngoài ra trong thực tế, khi không có nguồn
điện 3 pha, ta có thể đấu lại đông cơ 3 pha để nối vào lưới điện 1
pha, khi chọn trị số điện dung C phù hợp, có thể đạt 70-80%
công suất của động cơ 3 pha trước khi đấu lại.
1.6.

Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha.
Tốc độ của động cơ điện KĐB:

Động cơ roto lồng sóc:
Các cách điều chỉnh: thay đổi tần số dòng điện stato, đổi nối dây
quấn stato để thay đổi số đôi cực, thay đổi điện áp đặt vào stato để thay
đổi hệ số trượt s.
Tất cả các phương pháp đều được thực hiện ở stato.

11


Động cơ điện roto dây quấn: thường điều chỉnh tốc độ bằng cách
thay đổi điện trở roto để thay đổi hệ số trượt S, việc điều chỉnh thực
hiện ở phía roto.
1.6.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số
Tốc độ động cơ là :

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỉ lệ thuận với tần số.

Mặt khác, từ biểu thức E1 = 4,44.w1.f.kdq1∅max ta thấy ∅max tỉ lệ
với

. Người ta giữ cho ∅max = const. Muốn vậy phải điều chỉnh cả ,

có nghĩa là phải dùng 1 nguồn đặc biệt, đó là bộ biến tần trong công
nghiệp. Ta dùng biến tần để thay đổi tần số f của dòng điện stato. Điều
chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số giữa điện áp U1 và tần
số f không đổ (do từ thông ∅max tỉ lệ thuận với tỉ số

, và để giữ cho từ

thông ∅max không đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức).

Hình 1.7. Họ đường đặc tính cơ khi thay đổi tần số
1.6.2. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực
Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực thì tốc độ có
bấy nhiêu cấp, vì vậy thay đổi tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp 1
không bằng phẳng. Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực của dây
quấn stato.
12


- Đổi cách nối dây để có thể có số đôi cực khác nhau. Dùng trong
động cơ điện 2 cấp tốc độ theo tỉ lệ 2:1.
- Trên rãnh stato có đặt 2 dây quấn độc lập có số đôi cực khác
nhau, thường để đặt 2 tốc độ theo tỉ lệ 4:3 hoặc 6:5, mỗi dây
quấn lại có thể đổi cách nối để có số đôi cực khác nhau.
- Phương pháp này chỉ dùng được đối với loại roto lồng sóc. Mặc
dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp nhưng có ưu điểm là giữ nguyên

độ cứng đặc tính cơ
1.6.3. Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện áp
Phương pháp này chỉ thực hiện bằng cách giảm điện áp. Khi giảm
điện áp đường đặc tính M=f(n) thay đổi.

Hình 1.8. Họ đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp
Nhược điểm: giảm khả năng quá tải, dải điều khiển tốc độ hẹp,
tăng tổn hao ở dây quấn roto. Phương pháp này chỉ dùng với các
động cơ công suất nhỏ, có hệ số trượt tới hạn lớn.
Kết luận: Để điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1
pha, em sử dụng phương pháp điều khiển ổn định tốc độ bằng cách
thay đổi điện áp, vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, tiết
kiệm và phù hợp với động cơ em đang sử dụng.

II.

ô hình hoá và tạo khối cho bộ sản phẩm

2.1.

Bộ điểu khiển PID

13


- Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng
rộng rãi trong hệ thống điện, hệ thống tự động, điện tử. Mục tiêu của
bộ điều khiển PID là điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Ouput
sao cho sai lệch Error e(t) = (SP – PV) giữa giá trị đo được của hệ
thống PV (Process Variable) với giá trị cài đặt SP (SetPoint) nhỏ

nhất có thể (~ 0), đạt được sự ổn định và có đáp ứng nhanh.
- Bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt : khâu tỉ lệ ( P),
khâu tích phân ( I ) và khâu vi phân (D).
2.1.1. Giới thiệu bộ điều khiển PID
2.1.2. Các khâu của hệ PID
2.1.2.1. Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ ( còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ
với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách
nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:
Pout = Kp.e(t)
Trong đó :
Pout là thừ số tỉ lệ đầu ra
Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh.
e : sai số.
Mục tiêu điều khiển là đưa e tiến về 0 càng nhanh càng tốt. Như vậy,
nếu Kp lớn thì tác động nhanh của điều khiển càng lớn. Tuy nhiên, do
quán tính mà việc điều khiển càng nhanh càng gây ra mất ổn định.
Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào
lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. nếu độ lợi
14


của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng
với các nhiễu của hệ thống.
2.1.2.2. Khâu tích phân
Việc điều chỉnh tỉ lệ để lại một độ sai lệch sau điều chỉnh rất lớn. để
khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỉ lệ với điều chỉnh tích phân.
Điều chỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh sao cho độ lệch giảm
về 0.

Thừa số tích phân được cho bởi:
Iout = KI.∫_1^t▒〖e(t).dt〗
Trong đó:
Iout : thừa số tích phân của đầu ra
KI : độ lợi tích phân
e: sai số
t: thời gian
Khâu thích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc
độ chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số
ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy
nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng sai số tích lũy trong quá
khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố quá giá trị đặt.
2.1.2.3. Khâu vi phân
Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính bằng cách xác
định độ dốc của sai số theo thời gian và nhân tốc độ này với độ
lợi tỉ lệ KD.
Thừa số vi phân được cho bởi:
Dout = KD.(de(t))/dt
Trong đó:
15


Dout thừa số vi phân của đầu ra
KD : độ lợi vi phân
e: sai số
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra bộ điều khiển
và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều
khiển. Từ đó, giảm biên độ vọt lố tạo ra bởi thành phần tích phân
và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên
khâu này nhạy với nhiễu trong sai số.

2.1.3. Điều chỉnh PID
Điều chỉnh PID là điều chỉnh các thông số Kp, KI, KD tới giá trị
đáp ứng điều khiển tối ưu.
2.2.

Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển ổn định

2.2.1. Sơ đồ khối tổng quát
Điều khiển: Tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều
khiển 1 quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một
chương trình cho trước.
Hệ thống điều khiển: Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình
điều khiển được thực hiện.
Hệ thống điều khiển tự động: Tập hợp tất cả các thiết bị kĩ thuật,
đảm bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động 1 quá trình nào đó (gọi
tắt là HTTĐ).
Ý nghĩa của điều khiển tự động:
- Đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu công nghệ
- Tăng độ chính xác
- Tăng năng suất
- Tăng hiệu quả kinh tế

16


Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển
2.2.2. Nguyên lí của hệ thống
Mọi hệ thống điều khiển tự động đều bao gồm 3 bộ phận cơ bản:
- Bộ điều khiển C (Controller device)
- Đối tượng điều khiển (Object device)

- Thiết bị đo lường-cảm biến (Measuring device)
Trong đó:
- r(t) tín hiệu vào
- e(t) sai lệch điều khiển
- u(t) tín hiệu điều khiển
- c(t) tín hiệu ra
- cht(t) tín hiệu phản hổi (hồi tiếp)
Qua các phân tích trên, ta có sơ đồ khối cho hệ thống của đề tài
như sau:

17


Hình 2.2. Sơ đồ khối mô hình
2.3.

Mô hình hóa của động cơ không đồng bộ 1 pha

2.3.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế.
Dựa vào sơ đồ thay thế ta xác định được dòng điện stato:

√

√(

[

)

]

Trong đó:
- Xnm : là điện kháng ngắn mạch
-

: là điện trở roto

-

: là điện trở roto quy về stato

-

: là điện trở tác dụng của mạch từ hóa

-

: là điện kháng ngắn mạch của mạch từ hóa

Từ phương trình trên ta thấy:
Khi ω = 0 thì S = 1, I1 = I1nm : dòng ngắn mạch stato
Khi ω = ω1 thì S = 0, ta có:
(
√

)

là dòng từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ
quay với vận tốc đồng bộ.

Ta cũng tính được dòng quy đổi về stato:

√(

)

18


Khi ω = ω1 thì S = 0, I’2 = 0
Khi ω = 0 thì S =1
√
Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào
điều kiện cân bằng công suất động cơ.
Công suất điện chuyển từ stato sang roto:
P12 = Mdt ω1
Mdt là moment điện từ của động cơ: Mdt = Mcơ = M
Công suất P12 chia làm 2 phần:
- Pcơ: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ
- ∆P2: công suất tổn hao đồng trong roto
P12 = Pcơ + ∆P2
Hay
Do đó: ∆P2= M(ω1- ω)=M ωS
Mặt khác:

∆P2=3

Thay giá trị

nên M=

ta được:

*(

)

+

Ở trên là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Sau khi biến đổi ta được phương trình đặc tính cơ như sau:

Trong đó có:
19


Lựa chọn thông số mô phỏng
Động cơ sử dụng để nghiên cứu là động cơ không đồng bộ 1 pha
có các thông số như sau:
- Pđm=1,1kW
- Uđm=220V
- nđm=1450 r/m
- ŋ%=71%
- Iđm=9,2A
- cosφ=0,77
- 𝜆=2,3
- Mđm=2,46
- Mth=Mđm 𝜆=2,3.2,46=5,658
√

-

- Momen quán tính của động cơ:
- Hằng số momen: Km = 0,037 (N.m/A)
- Hằng số thời gian: Tω = 0,01 (s)
- Tốc độ góc của Roto:
⁄
2.3.2. Hàm truyền của động cơ
Hàm truyền của động cơ có dạng:

Trong đó:
 Kd là hệ số khuếch đại động cơ

20


 Tc là hằng số thời gian của khâu động cơ
Mà Tc =
 J là momen quán tính toàn hệ thống


là độ cứng đặc tính cơ
Lại có: J=1,2 =1,2.0,0275=0,033
suy ra Tc=2,0625

- Xác định: Kd
Kd được xác định bằng công thức:
Với Uđm thì

Với 0,82Uđm thì

Với 0,55Uđm thì
Suy ra
Vậy ta có hàm truyền của động cơ là:

2.3.3. Tổng hợp mô hình hóa trên hệ thống
Từ hàm truyền của các đối tượng xây dựng ở trên, em tiến hành mô
hình hóa toàn bộ hệ thống

21


Hình 2.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển trên matllab

Hình 2.4. Đáp ứng tốc độ động cơ với tốc độ ~ 1200 vòng/phút

22


Hình 2.5. Đáp ứng tốc độ 800 vòng/phút

23


III.

Thiết kế chế tạo mô hình bộ điều khiển ổn định tốc độ động

cơ không đồng bộ 1 pha
Mô hình gồm có:

- Mạch công suất
- Mạch điều khiển
- Mạch ổn áp nguồn
- Encorde phản hồi tốc độ
- Động cơ không đồng bộ 1pha
Sơ đồ khối của mô hình:

Hình 3.1. Sơ đồ khối mô hình
3.1.

Mạch công suất
Em sử dụng module TAC 2200 để chạy công suất cho động cơ.

24


Thông số kĩ thuật:
- Công suất tối đa 2200W
- Điện áp hoạt động: AC 220V
- Đóng cắt thay thế Relay tăng độ bền, không xảy ra tình trạng
dính tiếp điểm.

25