MÔMEN KHỞI ĐỘNG của ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ ROTOR LỒNG sóc làm VIỆC với BIẾN tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MÔMEN KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC
LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số ngành: 60 52 50


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1.

TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp đòi hỏi động cơ điện
phải có mômen khởi động lớn. Ví dụ: hệ thống cầu trục, hệ thống băng tải, thang
máy, máy cán... Trước đây, các hệ thống này thường sử dụng động cơ điện một
chiều để thực hiện truyền động do tính đơn giản trong điều khiển, song động cơ
điện một chiều đã bộc lộ nhiều nhược điểm như: vận hành không an toàn, chi phí
bảo dưỡng cao và chiếm nhiều không gian so với động cơ điện xoay chiều có cùng
công suất…
Do có cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp hơn so với động cơ
điện một chiều và sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều nên động cơ KĐB ba pha
thường được sử dụng. Về cấu tạo, có thể chia động cơ KĐB 3 pha làm hai loại: động
cơ rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc.
Quan hệ giữa tốc độ và mômen biểu hiện đặc tính cơ của động cơ, có thể tạo

ra các đường đặc tính cơ phù hợp với yêu cầu phụ tải bằng cách thay đổi các thông
số của động cơ. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính cơ bao gồm:
 Ảnh hưởng điện kháng phụ nối vào mạch stator.
 Ảnh hưởng điện trở phụ nối vào mạch rotor.
 Ảnh hưởng của điện áp lưới cấp cho động cơ.
 Ảnh hưởng số đôi cực của dây quấn.
 Ảnh hưởng của tần số cung cấp cho động cơ.
Khi giảm điện áp cung cấp hay nối thêm điện kháng vào mạch stator thì
mômen của động cơ giảm rất lớn (bình phương lần) nên biện pháp này không được
dùng trong trường hợp khởi động động động cơ đang mang tải. Để đạt được mômen
lớn lúc khởi động, có thể nối thêm điện trở vào mạch rotor - chỉ áp dụng cho động
cơ KĐB rotor dây quấn, hạn chế của biện pháp này là tổn hao trên điện trở lớn và
động cơ vận hành không an toàn. Ngoài ra, có thể thay đổi số cực bằng cách thay
đổi cách đấu dây ở stator của động cơ, tùy theo cách đấu dây mà có thể thay đổi
được mômen, tuy nhiên nhược điểm của biện pháp này tốc độ động cơ thay đổi
nhảy cấp.
Với khả năng phát triển của kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn công suất, sự
ra đời của các bộ biến tần đã giúp việc điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho
động cơ trở nên thuận lợi, tạo sự thích ứng về mơmen khởi động động cơ khi có tải,
hạn chế việc phải thay đổi kết cấu động cơ hay phải sử dụng thêm các thiết bị phụ dùng
để khởi động. Điều này càng phát huy tính hiệu quả khi sử dụng động cơ KĐB rotor
lồng sóc, do có cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, chắc chắn.


Từ những vấn đề đã được đề cập trên, người thực hiện chọn đề tài “Mômen
khởi động của động cơ KĐB rotor lồng sóc làm việc với biến tần”.
1.2.

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu mômen khởi động của động cơ KĐB 3
pha khi làm việc với biến tần.
Đề đạt được mục tiêu này, cần phải thực hiện các nội dung sau đây:
 Tìm hiểu các tài liệu liên quan.
 Tìm hiểu về bộ biến tần.
 Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha.
 Nguyên lý điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
 Xây dựng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha – biến tần.
 Mô phỏng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha – biến tần trong môi trường
MATLAB.
 Phân tích và đánh giá kết quả.
1.3.

PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Phạm vi nghiên cứu:

Do bò giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong
các các vấn đề sau:
 Nghiên cứu biến tần và động cơ KĐB 3 pha.
 Các nguyên lý điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
 Mômen khởi động của động cơ KĐB 3 pha.
 Mô phỏng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha – biến tần trong môi
trường MATLAB.
2. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp chủ yếu sử dụng trong đề tài này là:
 Tìm kiếm tài liệu tham khảo và cập nhật thông tin qua mạng Internet.
Trao đổi với giáo viên hướng dẫn, nhiệm vụ được giao và các vấn đề có
liên quan.
 Liên hệ tham khảo ý kiến của các chuyên gia về vấn đề nghiên cứu.
 Xây dựng mô hình mô phỏng trong môi trường MATLAB/simulink, phân

tích đánh giá kết quả và đưa ra một số đề xuất trong tương lai.


1.4.

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

 Thiết lập mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator.
 Thiết lập bộ điều khiển U/f không đổi.
1.5.

Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

 Ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ KĐB.
 Sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi mômen khởi động lớn.
1.6.

BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn được trình bày qua các chương như sau:
-

Mục lục.

-

Giới thiệu về đề tài.

-

Chương 1: Biến tần và phương pháp điều khiển.

-

Chương 2: Mô hình động cơ KĐB 3 pha.

-

Chương 3: Nguyên lý điều khiển mômen động cơ KĐB 3 pha.

-

Chương 4: Mômen khởi động của động cơ KĐB 3 pha làm việc với biến
tần nguồn áp.

-

Kết luận và hướng phát triển đề tài.


Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

Trang 11

Chương 1:
BIẾN TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Nội dung:
1.1. Khái niệm.
1.2. Phân loại.
1.3. Bộ biến tần gián tiếp.

1.3.1. Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn áp.
1.3.2. Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn dòng.
1.4. Phương pháp điều khiển bộ biến tần.
1.4.1. Khái niệm.
1.4.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
1.4.3. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung
(PWM).

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Trang 12

Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

Chương 1:
BIẾN TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.1. Khái niệm.
Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở ngõ vào
từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có một tần số khác ở ngõ
ra. Với chức năng đó, bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động
cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, bằng cách hay đổi góc kích và tần
số cắt chuyển của các khóa bán dẫn sẽ thay đổi được biên độ và tần số của điện áp
ngõ ra. Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn lưới một
pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta có thể mắc vào tải động cơ ba pha.
Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trò tốc độ đặt mong muốn.
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không
đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi.
- Có khả năng cung cấp dòng điện đònh mức ở mọi tần số.

1.2. Phân loại.
a.Theo tổng số pha, có các bộ biến tần:
- Một pha.
- Ba pha.
- m pha.
b.Theo cấu trúc mạch điện, có các bộ biến tần:
- Bộ biến tần gián tiếp (biến tần có khâu trung gian một chiều): gồm biến tần
dùng bộ nghòch lưu áp và biến tần dùng bộ nghòch lưu dòng, cùng với quá trình chuyển
mạch phụ thuộc mạch nguồn hoặc với quá trình chuyển mạch cưỡng bức.

~ u1, f1

Ud

C

IM

(a)
Ld
Id

~ u1, f1

IM

(b)
Hình 1.1. Sơ đồ khối các bộ biến tần gián tiếp.
a. Biến tần nghòch lưu nguồn áp.
b. Biến tần nghòch lưu nguồn dòng.

- Bộ biến tần trực tiếp (biến tần không có khâu trung gian một chiều còn gọi
là cycleconvertor).
Bộ biến tần gián tiếp trước tiên phải chỉnh lưu dòng điện xoay chiều của lưới
thành dòng điện một chiều, sau đó lại qua bộ nghòch lưu chuyển dòng điện một chiều

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

Trang 13

thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được, vì vậy còn được gọi là bộ biến
tần có khâu một chiều trung gian. Bộ biến tần trực tiếp thì biến đổi dòng điện xoay
chiều của lưới có tần số hằng thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được,
không có khâu một chiều trung gian. Trên thực tế bộ biến tần gián tiếp được sử dụng
nhiều hơn.
Bảng 1.1: So sánh các đặc điểm chủ yếu của bộ biến tần gián tiếp và bộ biến tần trực
tiếp.
Loại

Mục so
Hình
sá
nh thức chuyển đổi

Bộ biến tần gián tiếp.

Bộ biến tần trực tiếp.

Hai lần chuyển đổi năng
Chuyển đổi năng
năng lượng.
lượng, hiệu suất thấp.
lượng một lần, hiệu suất
cao.
Phương thức chuyển
Đổi chiều cưỡng bức
Điện áp nguồn đổi
đổi dòng điện.
hoặc dùng phương pháp dao chiều.
động phụ tải để đổi chiều.
Số lượng linh kiện của
Số lượng linh kiện tương
Số lượng linh kiện khá
thiết bò.
đối ít.
nhiều.
Phạm vi điều tần
Phạm vi điều chỉnh tần
Tần số lớn nhất ở đầu
số rộng.
ra nằm trong phạm vi 1/3
~1/2 của tần số nguồn.
Hệ số công suất mạng
Khi điều áp dùng chỉnh
Tương đối thấp.
điện.
lưu điều chỉnh được, hệ số

công suất khá thấp khi điện
áp thấp; khi điều áp bằng bộ
sóng răng cưa hoặc dùng
phương thức PWM thì hệ số
công suất cao.
Phạm vi sử dụng.
Có thể dùng để dẫn động
Rất thích hợp với
các loại thiết bò với điện áp truyền dẫn công suất lớn,
và tần số nguồn ổn đònh, tốc độ thấp.
điện nguồn không bò cắt.

1.3. Bộ biến tần gián tiếp.
Cấu tạo gồm có bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn điện xoay chiều ở ngõ vào thành
nguồn điện một chiều và bộ nghòch lưu biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay
chiều ở ngõ ra, có tần số khác tần số nguồn. Với cấu tạo như trên, người ta có thể
điều khiển tần số ngõ ra một cách độc lập không phụ thuộc tần số vào.
Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ hàng kW
đến vài trăm kW. Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài chục Hz đến vài trăm Hz.
Công suất tối đa của chúng có thể đạt đến vài MW và tần số tối đa khoảng vài chục
kHz.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Trang 14

Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

1.3.1. Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn áp:

S1
A
B
C

S3

S5

C

S2

IM

S4

S6

Hình 1.2: Cấu tạo của bộ biến tần nghòch lưu nguồn áp.

a) Mạch trung gian một chiều.
Có chứa tụ C điện dung rất lớn, mắc vào ngõ vào của bộ nghòch lưu. Điều này
giúp cho mạch trung gian hoạt động như một nguồn điện áp. Tụ điện phối hợp với
cuộn cảm L của mạch trung gian nắn điện áp chỉnh lưu. Do tác dụng của diode nghòch
đảo bộ nghòch lưu, điện áp đặt trên tụ có thể đạt các giá trò dương. Lúc này mạch
trung gian đóng vai trò một cái kho tích trữ năng lượng, sau đó năng lượng này được
đưa qua bộ nghòch lưu, biến thành nguồn điện xoay chiều có tần số có thể thay đổi
được.
b) Bộ nghòch lưu áp.

Dạng 1 pha hoặc 3 pha. Quá trình chuyển mạch của bộ nghòch lưu áp thường là
quá trình cưỡng bức. Trong trường hợp đặc biệt, bộ nghòch lưu làm việc không có quá
trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.
c) Bộ chỉnh lưu.
Có nhiều dạng khác nhau, mạch hình tia, hình cầu 1 pha hoặc 3 pha, thường gặp
nhất là mạch cầu 3 pha. Nếu như bộ chỉnh lưu 1 pha và bộ nghòch lưu 3 pha, thì bộ
biến tần thực hiện cả chức năng của một bộ biến đổi tổng số pha. Khi áp dụng phương
pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp của tải xoay chiều ra bộ chỉnh lưu, phải
bắt buộc là bộ chỉnh lưu điều khiển. Ngoài ra điện áp ra của bộ chỉnh lưu còn có thể
điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung, thực hiện trực tiếp ngay trên bộ
nghòch lưu, khi ấy bộ chỉnh lưu không cần điều khiển. Nếu thực hiện truyền năng
lượng theo hai chiều qua bộ biến tần, thì bộ biến tần thường trang bò bộ chỉnh lưu kép.
1.3.2. Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn dòng.
a) Mạch trung gian.
Chỉ có cuộn cảm L. Nhờ thế, mạch trung gian thực hiện chức năng nguồn dòng
điện của bộ nghòch lưu. Dòng điện của mạch trung gian có chiều không đổi. Dòng

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Trang 15

Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

được cuộn cảm nắn. Cuộn cảm còn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng giữa tải
tiêu thụ và mạch trung gian.
L
S1

S3

S5

A
B
C

IM

S2

S4

S6

Hình 1.3: Cấu tạo bộ biến tần nghòch lưu nguồn dòng.

b) Bộ nghòch lưu dòng.
Một pha hoặc thường gặp hơn cả là dạng ba pha tùy theo trường hợp, có thể là bộ
nghòch lưu với quá trình chuyển mạch cưỡng bức hoặc quá trình chuyển mạch phụ
thuộc. Bộ nghòch lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc về bản chất là bộ
chỉnh lưu có quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều của tải và hoạt
động trong chế độ nghòch lưu. Từ đó phân biệt được các bộ biến tần có quá trình
chuyển mạch cưỡng bức và bộ biến tần với quá trình chuyển mạch phụ thuộc.
c) Bộ chỉnh lưu.
Có nhiều dạng khác nhau, mạch hình tia, hình cầu một pha hoặc ba pha. Khi có
yêu cầu phải truyền năng lượng theo hai chiều, thì chỉ cần bộ chỉnh lưu đơn với điện
áp đổi dấu được. Thông thường sử dụng mạch cầu ba pha có điều khiển. Điện áp và
dòng điện tải có thể điều khiển được theo phương pháp điều khiển không được dùng
ở đây. Để giảm bớt hiện tượng quá điện áp trên các linh kiện bán dẫn của bộ nghòch

lưu, có thể dùng bộ nghòch lưu có chứa mạch tích năng lượng.
1.4. Phương pháp điều khiển bộ biến tần.
1.4.1. Khái niệm.
Thực chất phương pháp điều khiển bộ biến tần chính là phương pháp điều khiển
bộ nghòch lưu bên trong bộ biến tần.
Để tạo ra điện áp xoay chiều ở ngõ ra, các linh kiện chuyển mạch có thể điều
khiển ON-OFF như BJT, MOSFET, IGBT, GTO được sử dụng trong mạch nghòch lưu
áp và được điều khiển ON-OFF theo một quy luật nhất đònh để tạo ra dạng điện áp
xung chứa thành phần cơ bản dạng sin có biên độ và tần số mong muốn. Điện áp ngõ
ra của bộ nghòch lưu áp có thể có 2 hay nhiều mức khác nhau. Tuỳ thuộc vào điều đó
ta có bộ nghòch lưu áp 2 bậc và bộ nghòch lưu áp đa bậc (từ 3 mức trở lên). Sự khác
biệt giữa 2 mức áp kế nhau cũng chính là điện áp tối đa đặt lên linh kiện trong quá

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

Trang 16

trình linh kiện ở trạng thái OFF. Khi số bậc càng lớn, với cùng một mức áp và dòng
điện ngõ ra, các chỉ tiêu về độ méo dạng tổng thể do sóng hài (THD), kích thước
mạch lọc ngõ ra (trường hợp có dùng mạch lọc) và công suất chuyển mạch đều giảm
so với mạch nghòch lưu áp 2 bậc cơ bản.
Các bộ nghòch lưu áp hai bậc chứa hai khoá bán dẫn (IGBT) trên mỗi nhánh
pha tải, được áp dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ. Khái niệm hai
bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn
trên mạch DC thay đổi giữa hai bậc giá trò khác nhau.
Bộ nghòch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây
động cơ với độ dốc (dv/dt ) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng

thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng commonmode voltage).
Bộ nghòch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu
trên của bộ nghòch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp
cao và công suất lớn.
Các Ưu Điểm của bộ nghòch lưu áp đa bậc:
 Công suất của bộ nghòch lưu áp tăng lên. Đối với tải công suất lớn, điện
áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trò tương đối lớn.
 Điện áp đặt lên linh kiện bò giảm xuống nên công suất tổn hao do quá
trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
 Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp
ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghòch lưu áp hai bậc.
 Điện áp common mode nhỏ hơn, nên làm giảm ứng suất trên trục động
cơ, nghóa là tuổi thọ của động cơ tăng lên.
 Cải thiện độ méo dạng sóng hài tổng.
Như vậy, cóù thể điều khiển bộ nghòch lưu áp (điều khiển tín hiệu đóng ngắt lên
các công tắc) bằng nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có thể thích hợp với các loại
tải khác nhau. Do biến tần đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu với tải công suất lớn
nên vấn đề giảm bớt tần só đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất
có ý nghóa quan trọng. Các thuật toán cố gắn thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các
nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common –mode voltage, nguyên nhân gây
ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ.
1.4.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang carrier based-PWM được thực
hiện bằng kỹ thuật Analog dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản là sóng điều
khiển dạng sin với sóng mang tam giác, kết quả so sánh được dùng để điều khiển các
linh kiện chuyển mạch (hình 1.4).
Tỉ số điều chế biên độ được đònh nghóa là:
U
m a  đk
(1.1)

Um

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

Trang 17

Trong đó: k – biên độ của tín hiệu điều khiển.
Um– biên độ của tín hiệu xung tam giác.

Tín hiệu điều
khiển
Hình 1.4: Dạng sóng PWM.

Trong trường hợp sóng điều khiển dạng sin (Sinusoidal Pulse Width
Modulation SPWM), giới hạn trên của phạm vi điều khiển tuyến tính là ma = 0,785.
Trong trường hợp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified SPWM) có cộng thêm
thành phần Offset vào sóng điều khiển dạng sin cơ bản thì phạm vi điều khiển tuyến
tính được mở rộng thêm ma = 0,907, nhược điểm của kỹ thuật này là tần số chuyển
mạch cao, do đó tổn hao công suất chuyển mạch lớn.
1.4.3. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM).
Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng pha tải, ta sử dụng một số
sóng mang dạng tam giác và một sóng điều khiển dạng sin. Nếu sóng điều khiển lớn
hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong
trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện tương ứng sẽ được kích
ngắt.
Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao. Có thể chia thành ba loại như sau:
a. Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition): Tất cả các sóng mang đều cùng

pha nhau.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 1: Biến tần và Phương pháp điều khiển.

Trang 18

Hình 1.5: Dạng sóng PD
b. Hai sóng mang kế cận liên tiếp bố trí lệch nhau 180 độ – gọi là APOD
(Alternative Phase Opposition Disposition )

Hình 1.6: Dạng sóngA POD.
c. Các sóng mang bố trí đối xứng qua trục zero (POD – Phase opposition
Disposition).
Tất cả các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và tất cả các sóng
mang nằm dưới trục 0 sẽ bố trí lệch đi 180 độ.

Hình 1.7: Dạng sóng POD.
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang
đa bậc cùng pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Riêng đối với bộ nghòch lưu áp 3
bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 20

Chương 2:
MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Nội dung:
2.1. Giới thiệu động cơ KĐB 3 pha.
2.1.1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ.
2.1.2. Từ trường quay của dòng điện ba pha.
2.1.3. Cấu tạo của động cơ KĐB 3 pha.
2.2. Mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha.
2.2.1. Một số qui ước ký hiệu dùng điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
2.2.2. Biểu diễn vector không gian các đại lượng của động cơ KĐB 3 pha.
2.2.3. Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB 3 pha.
2.2.4. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ  cố đònh với stator.
2.2.5. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ dq tựa theo từ thông.
2.3. Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator bằng Matlab.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mô hình của động cơ không đồng bộ.

Trang 21

Chöông 2:
MOÂ HÌNH CUÛA ÑOÄNG CÔ KHOÂNG ÑOÀNG BOÄ
2.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ ba pha.
2.1.1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ.
Khi từ trường quay, từ thông qua khung dây biến thiên làm xuất hiện dòng
điện cảm ứng. Khung dây có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường sẽ chịu tác

dụng của lực điện từ với chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Tác
dụng của dòng điện cảm ứng là chống lại sự biến thiên của từ thông qua khung
dây, lực điện từ do nó sinh ra cũng có xu hướng chống lại sự biến thiên của từ
thông. Lực điện từ tác dụng lên khung dây làm giảm sự thay đổi vị trí tương đối
của khung dây với từ trường, làm khung dây quay theo từ trường. Khi vận tốc
quay của khung dây bằng với vận tốc quay của từ trường, dòng điện cảm ứng
mất đi, lực điện từ cũng mất theo làm khung dây quay chậm lại nên vận tốc của
động cơ luôn nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay. Động cơ hoạt động theo
nguyên tắc trên gọi là động cơ không đồng bộ.

2.1.2. Từ trường quay của dòng điện ba pha.
Để tạo ra từ trường quay, theo nguyên tắc ta có thể quay 1 nam châm vĩnh
cửu. Nhưng trong thực tế, từ trường quay tạo ra bằng cách này rất khó thực hiện
và không có ý nghĩa cho việc chế tạo động cơ. Trong thực tế, ta có thể tạo ra từ
trường quay rất mạnh bằng cách sử dụng dòng điện ba pha.
Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào ba
cuộn dây đặt lệch nhau 120 0 . Từ trường tạo ra cũng dao động điều hoà tương tự
như dòng điện

Hình 2.1: Từ trường dao động điều hòa

Giả sử tại một thời điểm nào đó, từ trường cuộn 1 là cực đại, dương và
hướng từ trong ra ngoài như hình 2.2. Theo hình 2.1, ta thấy từ trường các cuộn
2 và 3 bằng 0,5 giá trị cực đại, âm và hướng từ ngoài vào trong cuộn dây (hình
2.2). Như vậy, từ trường tổng cộng của 3 cuộn dây có chiều trùng với từ trường
cuộn 1 như hình 2.2

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Chương 2: Mô hình của động cơ không đồng bộ.

Trang 22

Hình 2.2: Chiều và độ lớn tại thời điểm từ trường cuộn 1 cực đại

Tương tự cách lập luận như trên, sau 1 3 chu kì, từ trường của cuộn dây 2 đạt
cực đại và từ trường tổng hướng từ trong ra ngoài cuộn 2. Và sau 1 3 chu kì tiếp
theo, từ trường cuộn 3 cực đại, từ trường tổng hướng từ trong ra ngoài cuộn 3.
Như vậy, từ trường tổng được tạo ra từ dòng điện 3 pha quay quanh tâm O với
tần số bằng với tần số của dòng điện.

2.1.3. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha.
Theo nguyên tắc hoạt động và cách tạo ra từ trường quay bằng dòng điện 3 pha.
Ta thấy động cơ điện không đồng bộ ba pha cấu tạo gồm 2 bộ phận chính là
stator và rotor.
Stator có tác dụng như 1 bộ khung, trên đó có các cực từ để quấn các cuộn
dây dùng tạo ra từ trường quay như hình 2.3

Hình 2.3: Cấu tạo Stator

Rotor, có dạng như 1 lõi hình trụ có thể nằm lọt trong stator, không tiếp
xúc với stator nhưng càng khít càng tốt. Trên rotor có các rãnh để quấn dây, có
cùng số cực với dây quấn stator. Các đầu dây ra được nối với vành trượt đư ợc
cách điện với trục rotor. Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong
các bộ giá đỡ chổi than. Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm
hoặc đồng) trong các rãnh rotor, chúng được nối tắt 2 đầu nhờ vòng ngắn mạch.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 23

Do kết cấu rất đơn giản và chắc chắn, động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơng nghiệp cũng như sinh hoạt.
Các thanh dẫn rotor thường được bố trí nghiêng 1 bước rãnh nhằm giảm ảnh
hưởng của moment phụ cũng như giảm tiếng ồn và rung trong khi động cơ làm
việc.

Hình 2.4: Cấu tạo Rotor

2.2. Mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha.
2.2.1. Một số qui ước ký hiệu dùng điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
Để xây dựng mô hình mô tả động cơ KĐB 3 pha, ta thống nhất môt số qui ước ký hiệu
cho các đại lượng và thông số của động cơ.

Hình 2.5. Mô hình đơn giản của động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc.

Trục chuẩn được qui ước là trục của cuộn dây pha A. Sau đây là một số qui ước cho
các ký hiệu.
Hình thức và vị trí các chỉ số:
• Chỉ số nhỏ góc phải trên:
s
đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ ).
f
đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thơng rotor (hệ tọa độ dq).
r
đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục của rotor.

• Chỉ số nhỏ góc phải dưới:
Chữ cái đầu tiên:
s
đại lượng của mạch stator.
r
đại lượng của mạch rotor.
Chữ cái thứ hai:
d, q
phần tử thuộc hệ tọa độ dq.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 24

,
phần tử thuộc hệ tọa độ .
a, b, c đại lượng ba pha thuộc các pha A, B, C.
• Hình mũi tên (→) trên đầu: ký hiệu vector
• Độ lớn (modul) của đại lượng: ký hiệu giữa hai dấu gạch đứng (| |).
Các đại lượng của ĐCKĐB ba pha:
u
điện áp [V].
i
dòng điện [A].

từ thơng [Wb].
Me

momen điện từ [N.m].
MT momen tải (momen cản) [Nm].
ω
tốc độ góc của rotor so với stator [rad/s].
ωs
tốc độ góc của từ thơng rotor so với stator (ωs = ω + ωr) [rad/s].
ωr
tốc độ góc của từ thơng rotor so với rotor (tốc độ trượt) [rad/s].
Các thơng số của ĐCKĐB ba pha:
Rs
điện trở cuộn dây pha của stator [Ω].
Rr
điện trở rotor đã qui đổi về stator [Ω].
Lm
hỗ cảm giữa stator và rotor [H].
Lσs
điện kháng tản của cuộn dây stator [H].
Lσr
điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator [H].
p
số đơi cực của động cơ.
J
momen qn tính cơ [Kg.m2].
Các thơng số định nghĩa thêm:
Ls = Lm + Lσs
: điện cảm stator.
Lr = Lm + Lσr
: điện cảm rotor.
L
Ts  s

: hằng số thời gian stator.
Rs
L
Tr  r
: hằng số thời gian stator.
Rr

L2m
:hệ số từ tản tổng.
  1
RsR r
2.2.2. Biểu diễn vector không gian các đại lượng của động cơ KĐB 3 pha.
Động cơ KĐB 3 pha được cấp nguồn từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, dây quấn ba
pha đấu sao và khơng nối dây trung tính có điện áp thõa phương trình:
(2.1)
usa t   usb t   usc t   0
Biểu diễn vector khơng gian của điện áp stator như sau:

2
u s  u sa t   a.u sb t   a 2 .u sc t  với a = ej2/3
(2.2)
3

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mô hình của động cơ không đồng bộ.

Trang 25

Hình 2.6: Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ .


Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator u s
lên trục của cuộn dây tương ứng.
Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên mặt
phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc

ωst. Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector điện áp stator u s có thể được mô tả
thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của vector. Hệ tọa độ này là
hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ .



Hình 2.7: Vector không gian điện áp stator u s và các điện áp pha.

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator (us, us)
lên trục pha A và B, có thể xác định các thành phần vector điện áp theo phương pháp
hình học:

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 26

u sa  u s

(2.3a,b)


1
3
u


u

u
 sb
s
s

2
2
Suy ra:
u s  usa

(2.4a,b)
1



u

u

2
u
s


sa
sb

3

Có thể xác định các thành phần vector điện áp theo phương pháp đại số như sau:
 3
2
1
1
3 
(2.5)
uss  uas  u bs  u cs  j
u bs 
u cs 
3 
2
2
2
2


Ma trận chuyển đổi abc → .
1
1  u

 as 



s
 u s  2 1
2
2  
  u bs 
(2.6)
 s  
u
0
3
3
3


s

 
 u cs 


2
2   
Ma trận chuyển đổi  → abc.



0 
 u as   1
s
3   us 

 u    1

(2.7)
 
 bs   2
2   uss 
 u cs   1
3


 2
2 
2.2.3. Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB 3 pha.
Đặc tính động của động cơ KĐB được mô tả bởi hệ phương trình vi phân. Để xây
dựng các phương trình cho động cơ, giả đònh lý tưởng hóa kết cấu dây quấn và mạch
từ với các giả thuyết sau:
 Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian.
 Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa của mạch từ.
 Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí.
 Các giá trò điện trở và điện kháng xem như không đổi.
Phương trình điện áp cho ba cuộn dây quấn stator
dsa ( t )

(2.8a)
u sa ( t )  R s .I sa ( t )  dt

dsb ( t )

(2.8b)
u sb ( t )  R s .I sb ( t ) 

dt

dsc ( t )

u
(
t
)

R
.
I
(
t
)

(2.8c)
sc
s
sc

dt

Với usa(t), usb(t), usc(t) : điện áp trên ba cuộn dây pha của stator.
Ψsa(t), Ψsb(t), Ψsc(t) : từ thông móc vòng trên ba dây quấn stator.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 27

Biểu diễn điện áp theo dạng vector không gian:

2
u s  u sa t   a.u sb t   a 2 .u sc t  với a = ej2/3
(2.9)
3
Thay các phương trình điện áp pha (2.8a), (2.8b), (2.8c),vào (2.9), ta được phương
trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

s
dss ( t )
s
u s ( t )  R s . Is ( t ) 
(2.10)
dt
Trong đó:
s
2
is ( t )  i sa t   a.i sb t   a 2 .i sc t 
(2.11)
3

2
ss ( t )  sa t   a.sb t   a 2 .sc t 
(2.12)
3


Với iss ( t ) là vector dòng stator được quan sát trên hệ tọa độ stator.

ss ( t ) vector từ thông stator được quan sát trên hệ tọa độ stator.

Tương tự như đối với cuộn dây stator, ta thu được phương trình vector điện áp của
mạch rotor khi quan sát trên hệ tọa độ rotor.


r
drr ( t )
r
u r ( t )  0  R r . Ir ( t ) 
(2.13)
dt

Với Irr ( t ) là vector dòng rotor.

rr ( t ) là vector từ thông rotor.

0 là vector không (vector có môdul bằng không).
Phương trình của từ thông stator và rotor:



s .  is .L s  ir .L m
(2.14a)

 
r  is .L m  ir .L r
(2.14b)

Phng trình chuyển động của động cơ:
J d
Me  MT  .
(2.15)
p dt
Phương trình moment quay:
3  
3  
M e  .p(s  is )   .p(r  ir )
(2.16)
2
2
2.2.4. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator (hệ tọa độ ).
p dụng công thức chuyển hệ tọa độ, ta có:


 s  k j  s  k j
u s  u s .e ; is  is .e ; ss  sk .e j
(2.17a,b,c)
k

k

k

Đạo hàm bậc nhất của vector từ thông.



dss dsk j


.e  jk sk .e j
(2.18)
dt
dt
d
với k  k ;  k là góc giữa trục thực của hệ tọa độ bất kỳ “k” và trục  của hệ
dt
tọa độ stator.
k

k

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 28

Thay (2.18) vào phương trình (2.3), ta thu được phương trình tổng quát cho điện áp
stator.

k

dsk
s
u s ( t )  R s . Is ( t ) 
 jk .sk
(2.19)

dt
Tương tự, ta có phương trình tổng quát cho điện áp rotor trên hệ tọa độ “k” bất kỳ,
quay quanh điểm gốc với tốc độ ωk so với rotor.

s

dss
0  R r . Ir ( t ) 
 jk .ss
(2.20)
dt
Từ các phương trình (2.10), (2.14a,b), (2.15) và (2.20), ta có hệ phương trình:

 s dss
s
u s  R s . Is 
(2.21a)
dt

 s dss

0  R r . Ir 
 j k .ss
(2.21b)
dt



ss  iss .L s  irs .L m
(2.21c)

s
 s s
r  is .L m  ir .L r
(2.21d)
3  
3  
M e  .p(s  is )   .p(r  ir )
(2.21e)
2
2
J d
Me  MT  .
(2.21f)
p dt
Từ phương trình (2.21c) và (2.21d), ta có:
s 1  s s
ir 
r  is .L m
(2.22a)
Lr



L 
ss  iss .L s  m rs  iss .L m
(2.22b)
Lr


Thay irs và ss vào trong (2.21a) và (2.21b) đồng thời sử dụng các tham số σ, Ts, Tr.









Ta được:


s
d iss L m dss
s
u s  R s . is  .L s .

.
dt
L r dt

  s drs
Lm s  1
0
. is    j .r 
Tr
dt
 Tr

Thay (2.23b) vào (2.23a), ta được:

 s
 Rs
 s
1 L2m   s
1 Lm  1
1 s



.r 
d
i



.
.
i

.
.

j

.u s
 s
 .L .L L T  s .L L  T
.L s

s

s
r r 
s
r  r


 s
s
 dr  L m .i s   1  j .
s
T
 r
 dt
Tr
 r


Hay:

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

(2.23a)
(2.23b)

(2.24a,b)


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 29

 s
 1

1    s 1    1
1 s
. is 

.  j .rs 
.u s
d is  
.L m  Tr
.L s


 .Ts .Tr 
 s
s
 dr  L m .i s   1  j .
s
T
 r
 dt
Tr
 r



(2.25a,b)

Chuyển sang các thành phần của vector trên hai trục tọa độ, ta được:

 1
1  
1 
1 
1
.i s 

.r 
..r 
.u s
di s  

.
T

.
T

.
L
.
T

.
L

.
L

s
r
m
r
m
s






di s   1  1   .i s  1   .r  1   ..r  1 .u s
 .T .T 
.L m .Tr
.L m
.L s

r 
 s

1
 dr L m

.
i

.r  .r
s


 dt
Tr
Tr

 dr L m
1
 dt  T .i s  T .r  .r

r
r

(2.26a)
(2.26b)
(2.26c)
(2.26d)

Chia 2 vế (2.26c) và (2.26d) cho Lm, đồng thời đặt:


r'  r và r'  r gọi là từ thông chuẩn hóa, ta được:
Lm
Lm


 1
1  
1 
1 
1
.i s 


.r 
..r 
.u s
di s  
.L m .Tr
.L m
.L s
 .Ts .Tr 




di s   1  1   .i s  1   .r  1   ..r  1 .u s


.L m .Tr
.L m
.L s

 .Ts .Tr 
 '
1 '
 dr 1

.
i

.r  .r'
s


 dt
Tr
Tr

 dr' 1
1
 .i s  .r'  .r'

Tr
Tr
 dt
Thay phương trình (2.22a) vào (2.22e):
3 L
M e  . m .pri s  ri s 
2 Lr

3 L2m
 M e  . .pr'i s  r'i s 
2 Lr
Ta đặt:
1
1 
a1 

.Ts .Tr
a3 

1 


; a2 

1 
Tr

; a4 

1
.L s

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

(2.27a)
(2.27b)
(2.27c)
(2.27d)

(2.28)


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.
1
a5 
Tr
p
a7 
J

Trang 30

3 L2m
; a 6  .p.
2 Lr

Hệ phương trình (2.21) và (2.22) trở thành:

 di s
'
'
 dt  a1.i s  a2 .r  a3 ..r  a4 .us

 di s  a .i  a . '  a .. '  a .u
1 s
2
r
3
r
4
s
 dt
 '
 dr  a .i  a . '  . '

5 s
5
r
r
 dt
 dr'

 a5 .i s  a5 .r'  .r'

 dt
M e  a6 r' i s  r' is 

 d
 dt  a7 M e  M T 

2
2
Với r'  r'   r' 

(2.29a,b,c,d,e,f)

(2.29g)

2.2.5. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ tựa theo từ thông (hệ tọa độ dq).
Phương trình điện áp và từ thông động cơ trong hệ tọa độ tựa theo từ thông:

f
 f dsf
 f
u s  R s . Is  js .s 
dt

f
 f ds
f

0


R
.
I


j

.

(2.30a,b,c,d)
r r
r
r

dt



sf  isf .L s  irf .L m

  f f
r  is .L m  irf .L r
Tương tự trường hợp hệ tọa độ stator, bằng cách khử dòng rotor và từ thông stator,
thu được hệ phương trình mô tả động cơ trong hệ tọa độ tựa theo từ thông:
 di sd
'
'
 dt  a1.isd  s isq  a2 .rd  a3 ..rq  a4 .usd


 di sq  a .i   i  a . '  a .. '  a .u
1 sq
s sd
2
rq
3
rd
4
sq
 dt
 '
 drd  a .i  a . '    . '

5 sd
5
rd
s
rq
(2.31a,b,c,d,e,f)
 dt
'
 d
'
'
 rd  a5 .isq  a5 .rq  s  .r
 dt
M e  a6 .rd' isq

 d  a M  M 
7

e
T
 dt

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Trang 31

Với ωs – ω = ωr
2.3. Xây dựng mô hình động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ stator bằng Matlab.
Từ hệ phương trình (2.29) ta xây dựng được mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa
độ  như sau:

Hình 2.8. Mô hình tổng quát của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ .

Hình 2.9. Sơ đồ chi tiết của mô hình động cơ KĐB trên hệ tọa độ .

Từ các phương trình (2.29a,b,c,d,e,f) xây dựng được các khối sau:
 Khối chuyển đổi điện áp:

Hình 2.10. Sơ đồ khối của khâu chuyển đổi điện áp.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc


Chương 2: Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ.

Hình 2.11. Sơ đồ chi tiết của khâu chuyển đổi điện áp.

 Khối chuyển đổi dòng điện:

Hình 2.12. Sơ đồ khối của khâu chuyển đổi dòng điện.

Hình 2.13. Sơ đồ chi tiết của khâu chuyển đổi dòng điện.

 Khối tính toán dòng điện is:

Hình 2.14. Sơ đồ khối của khâu tính toán dòng điện is.

CBHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Trang 32