Giáo trình Truyền động điện (Dùng cho hệ TCCN): Phần 2

Trường cao đẳng nghề Nam Định
Bài 4: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

* Mục đích
Cung cấp cho sinh viên kiến thức về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ,
nắm được sơ đồ nguyên lý, đặc tính cơ, phương trình đặc tính cơ cũng như một số
thông số đặc trưng của điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. Ưu nhược điểm,
phạm vi ứng dụng của từng phương pháp điều chỉnh.
* Tóm tắt nội dung
Trình bày các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:
­ Điều chỉnh điện áp động cơ
­ Điều chỉnh xung điện trở mạch roto
­ Điều chỉnh công suất trượt
­ Điều chỉnh số đôi cực
­ Điều chỉnh tần số

Giáo trình Truyền động điện

95


Trường cao đẳng nghề Nam Định
4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) 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.
Sở dĩ như vậy là do động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn,
sử dụng nguồn cung cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước
đây các hệ truyền động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ, đó
là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rất khó khăn hơn động cơ một chiều.
Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ

thuật điện tử tin học, động cơ KĐB mới được khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở
thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động tiristơ ­ động cơ một
chiều.
Trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng các phương pháp sau:
­ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi tiristơ.
­ Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto
­ Điều chỉnh công suất trượt Ps
­ Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số
tiristơ hay tranzito.
Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc, các đặc tính của hệ truyền
động này.
4.2. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ

Momen động cơ khồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều
chỉnh được momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong
khi giữ nguyên tần số.
Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều
(ĐAXC). Nếu coi ĐAXC là nguồn áp lý tưởng (Zb = 0) thì căn cứ vào biểu thức
momen tới hạn, có quan hệ sau:

M th.u
U
 ( b )2
M th
U dm

hay Mth,u * = ub*2

(5 ­ 1)

Công thức (5 ­ 1) đúng với mọi giá trị của điện áp và momen.
Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi:
Mu* = ub*2,  = const,
trong đó:

Mu =

Mu
M gh

(5 ­ 1)'

Um ­ điện áp định mức của động cơ.
ub ­ điện áp đầu ra của ĐAXC.
Mth ­ momen tới hạn khi điện áp là định mức.
Mu ­ momen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh.

Giáo trình Truyền động điện

96


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Mgh­ momen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf.
Vì giá trị độ trượt tới hạn sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ nên nói chung
không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto lồng sóc. Khi thực hiện điều
chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để
mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và momen. Như thấy trên H.5 ­ 1b, tốc độ động cơ
được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi đó tốc độ không tải lý

tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay.
A

Ul

B

fl

C

Uđk

ĐAXC

TN
(Uđm, Rf=0)

1

fl

Ub

s

Uđm,Rf

sth


sthgh

ĐK

Mc()
ir
R2f

R2f

R2f

0 1 Mth2,u b2

Mth1,ub1

Mth M

(a)
(b)
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý (a) ;Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp (b)

Tổn thất khi điều chỉnh là:
Pr = Mc(1 ­ ) = Pcơ

s
1 s

Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng:
Mc = Mcđm (

ω x

)  Mcđm ( ) x
ω dm
1

Thì tổn thất trong mạch rôto khi điều chỉnh điện áp là:
Pr = Mcđm (

 x

) .1(1­
)
1
1

Tổn thất cực đại khi  = 0:
Prmax = Mcđm.  = Pđm
Như vậy, tổn thất tương đối trong mạch rôto là:

Pr


 ( ) x .(1  )
1
1
1
Pr = (*)x.(1 ­ *)

Giáo trình Truyền động điện

(5 ­ 2)

97


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị trên H.5 ­ 2, ứng với từng loại phụ tải cơ có
tính chất khác nhau.
P*r
1
X=­1

X=0
0,5
X=1

X=2
0

0,5

1 *

Hình 5.2. Sự phụ thuộc giữa tổn thất rô to và tốc độ điều chỉnh

Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là
hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm li tâm. Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu,

điện kháng hoặc các bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC, trong đó vì lý do kỹ thuật và
kinh tế mà bộ áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn cả.
4. 3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH RÔTO

Như đã phân tích ở phần đặc tính cơ KĐB, có thể điều chỉnh được tốc độ ĐKB
bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto, trong mục này khảo sát việc thực hiện điều
chỉnh trơn mạch rôto bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự
động hoá việc điều chỉnh.
Trên H.5 ­ 3a trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn mạch rôto bằng
phương pháp xung. Điện áp u r được chỉnh lưu bởi cầu điôt CL, qua điện kháng lọc L
được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T1.
Khoá T1 sẽ được đóng, ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện
trở toàn mạch.
Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một
chiều. Khi T1 dẫn, điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên, khi T1
khóa điện trở R0 lại được đưa vào mạch, dòng điện rôto giảm. Với tần số đóng ngắt
nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có một giá
trị điện trở tương đương Rtd trong mạch. Thời gian ngắt tn = Tck ­ tđ (xem H.5 ­ 3b),
nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn ta sẽ điều chỉnh
trơn được giá trị điện trở trong mạch rôto.

Giáo trình Truyền động điện

98


Trường cao đẳng nghề Nam Định
A

Ul

B f C
l

R

R0
3Ro/4

ĐK
Tđ
Ur

V1

V4

V3

V6

V5

V2

t

Tn

Tck

R0
C
L

Ro/2

id

t

L

R0

R0

T1

C

T2

V0

Ro/4
T

L1
(a)

t
(b)


1


1

=1

=0

=1

=0
M

M
0

0
(c)

(d
) rô to
Hình 5.3. Điều chỉnh xung điện trở mạch

(a) Sơ đồ nguyên lý (b) Phương pháp điều chỉnh (c,d) Các đặc tính

Rtd = R0.

td
t
 R 0 d  R 0 .
td  tn
T

(5 ­ 3)

Điện trở tương đương Rtd trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay
chiều ba pha ở rôto theo quy tắc bảo toàn công suất.
4.4. ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRƯỢT.

Trong trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách làm mềm đặc tính
và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt Ps = s.Pđt được tiêu tán
trên điện trở rô to. Ở các hệ thống truyền động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể.
Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt
người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng.
Giáo trình Truyền động điện

99


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Có nhiều phương pháp xây dựng hệ thống nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp
nối tầng dùng Tiristor (hình 5.6a).
Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì:
Ps = Mc.(1 ­ ) = Mc.1.s = Pđt.s

(5.6)

s = Ps/P đt
Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rôto được biểu diễn trên hình 5.6b.
Trong đó:
Pbđ : công suất được trả về lưới điện.
Pbđ:tổn hao trong mạch biến đổi công suất trượt thành công suất điện có cùng
tần số với điện áp lưới.
Sức điện động rôto u r được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng
lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL. Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (uA, uB,
uC) có biên độ và tần số không đổi do được xác định bởi tần số và biên độ của lưới.
Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển  thay đổi từ 90 o đến khoảng 140o, phần còn
lại dành cho góc chuyển mạch  và góc phục hồi tính chất khoá  của van.
Độ lớn của dòng điện rô to hoàn toàn phụ thuộc vào mô men tải của động cơ mà
không phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu, nghịch lưu
phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc pha của dòng điện ở phía xoay chiều của nghịch
lưu bằng cách thay đổi góc mở . Quá trình dòng điện và điện áp của bộ biến đổi
được mô tả trên hình 5.6c cho trường hợp s = 1/3. Giá trị trung bình của điện áp
chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau.
Udr = Udn = Ud
Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính là điện áp
rơi trên cuộn kháng lọc L.
Để đơn giản trong cách viết, giả thiết bỏ qua điện trở và điện kháng tản của
mạch stato và coi số vòng dây của stato và rô to như nhau, thì giá trị trung bình của
điện áp chỉnh lưu khi Id = 0 là:
Ud =
Trong đó:

3 3

  o
U1m e

1

(5.7)

U1m: biên độ điện áp lưới
o:

tốc độ không tải lý tưởng

1:

tốc độ từ trường quay stato

Giáo trình Truyền động điện

100


Trường cao đẳng nghề Nam Định
A
B
C
Ul

fl

(a)

BA

§K
Ur

D1
D3

L

D4

a

T1

D6

T3

D2

T5

T4
A

T6
B

b
D5
c

CL

Udn

Udr

T2
NL

C

Id

P1
Pb®

P1
P®t

PC

PCS
(b)

Pb

Hình 5.4. Hệ thống nối tầng van điện.
(a) Sơ đồ nguyên lý (b) Giản đồ năng lượng

Khi có tải Id  0 thì điện áp này giảm xuống do sụt áp chuyển mạch giữa các
van trong cầu chỉnh lưu và do sụt áp trên điện trở dây quấn rô to.
Ud =

3 3
  o 3
U1m e
­ sLrId ­ 2RrId


1

(5.8)

Trong đó 2 = e ­  là tần số trượt của rô to, dòng điện chỉnh lưu trung bình sẽ
là hàm của tốc độ quay:

o  
3U1ms'
e
Id =
=
   2R r
2R r
L r 1 ( 1

) X r (s o  s'

)
3X r
1
31L r
3U1m

Giáo trình Truyền động điện

(5.9)

101


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Độ trượt so gọi là độ trượt cơ bản của hệ thống khi không tải, độ trượt s' là do
tải gây ra:
so =

1    U d
;
1 3 3 U1m

s' =

o  
1

(5.10)

Điện áp stato có dạng ua = U1mcoset, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì từ
thông có biên độ tỷ lệ với điện áp stato:  = ­ U1m/1

(5.11)

và mômen động cơ tỷ lệ với thành phần dọc trục của dòng điện rôto động cơ:
M=­

3p' U1m
I dr
2 1

(5.12)

Giá trị trung bình của dòng điện idr được tính như sau:
Idr = ­

6 U1m
s' s'
(1  )
 X r
sx sx

sx = so + s' +

(5.13)

2R r
cuối cùng phương trình xác định mô men của hệ thống nối
3X r

tầng van điện sẽ là:
M=

9 U1m 2 1
s' s'
p' (
)
(1  )

e
L r
sx sx

(5.14)

Trên hình 5.6d có dựng các đặc tính cơ của hệ nối tầng van cho từng góc điều
khiển  của nghịch lưu. Do điện cảm lọc L trong mạch một chiều có giá trị hữu hạn
nên dòng id có thể bị gián đoạn khi mô men tải nhỏ, đặc tính cơ ở đoạn này có độ dốc
lớn. Mặt khác do sụt áp gây ra bời điện trở stato, điện trở mạch một chiều, điện trở và
điện kháng tản của máy biến áp cũng như sụt áp do chuyển mạch của nghịch lưu và
chỉnh lưu nên các đặc tính điều chỉnh đều có độ cứng và mô men tới hạn nhỏ hơn so
với đặc tính cơ tự nhiên.

Giáo trình Truyền động điện

102


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Udn
uab

Udr

ua
Ud
0

t

ia
st

0

c)
st

ib

0

st

0
ic
Id

0

t

Hình 5.5
4.5. ĐIỀU CHỈNH SỐ ĐÔI CỰC.

4.5.1. Nguyên lý điều chỉnh.
Khi thay đổi số đôi cực của động cơ KĐB, tốc độ từ trường quay thay đổi, do
đó tốc độ rôto cũng thay đổi theo. Quan hệ đó được thể hiện trong biểu thức sau:
 = 0(1­ s) =

2 f
(1  s)
p

Trong đó: f ­ tần số lưới điện, p ­ số đôi cực (p =1, 2, 3, ...)
Để có thể thay đổi được số đôi cực, người ta phải chê tạo những động cơ đặc
biệt, được gọi là động cơ đa cấp tốc độ. Phổ biến nhất là loại động cơ hai cấp tôsc độ,
có thể thay đổi số đôi cực bằng hai phương pháp:
+ Đặt ở mạch stato của động cơ các tổ dây quán khác nhau, mỗi tổ dây quấn
có số đôi cực riêng.
+ Dùng một tổ dây quấn stato được chia thành nhiều phân đoạn, thay đổi cách
nối dây giữa các phân đoạn sẽ thay đổi được p.
Những động cơ cấu tạo theo cách thứ nhất phức tạp, to và nặng nên ít sử dụng.
Những động cơ cấu tạo theo cách thứ hai nhỏ gọn, tận dụng tốt vật liệu của máy điện,

Giáo trình Truyền động điện

103

Trường cao đẳng nghề Nam Định

song có nhược điểm là sơ đồ đổi nối đầu dây phức tạp và hai cấp tốc độ phụ thuộc
nhau nhưng được sử dụng phổ biến.
Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto loại này có thể tụ thay đổi số
cực rôto theo stato. Do đó số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp nhàng
với stato.
Sau đây ta khảo sát phương pháp thay đổi số đôi cực bằng cách đổi nối các
phân đoạn dây quấn. Ví dụ có một tổ nối dây stato gồm hai phân đoạn (1 pha). Nếu
nối nối tiếp thuận cực các phân đoạn ta có p = 2. Nếu ta đổi nối thành song song
ngược cực ta có p = 1 như hình vẽ dưới:
S

N

S

N

S

*

N

*

*

*

p = 2, 0

p = 1, 20

Hình 5.6: Thay đổi số đôi cực bằng cách đổi nối các phân đoạn dây quấn

Như vậy, bằng cách đổi nối đơn giản, ta có thể điều chỉnh được tố độ động cơ
từ tốc độ (không tải) 0 lên tốc độ 20

4.5.2. Các động cơ đa tốc và sơ đồ đổi nối thực tế.
Các động cơ đa tốc thực tế được chế tạo với số đô cực từ 1 đến 12 tương ứng
với các tốc độ không tải lý tưởng là 3000, 1500, … ,250 (v/p).
Các động cơ hai cấp tốc độ, một tổ dây quấn thường được chế tạo với n0 =
1500/3000; 750/1500; 500/1000 (v/p), còn các động cơ hai tổ dây quấn thì n0 =
500/1500; 1000/1500; 1000/3000; 750/3000 (v/p). Các động cơ 3 và 4 cấp tốc độ đều
có 2 tổ nối dây, các cấp tốc độ thường gặp là 750/1500/3000; 750/1000/1500;
500/750/1000/1500 (v/p).
Trong thực tế các động cơ 3 pha thường được đổi nối theo 2 cách;
+ đổi nối từ hình sao sang sao kép (Y  YY)
+ đổi nối từ hình tam giác sang sao kép (  YY)
Sơ đồ đổi nối được biểu diễn như hình vẽ:



Giáo trình Truyền động điện

104

Trường cao đẳng nghề Nam Định

*

*

r1,x1

r1,x1

r1,x1

*

*

r1,x1

*

*
*

*

Hình 5.7: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ   YY và Y  YY

Khi nối  hoặc Y hai đoạn dây quấn mỗi pha được đấu nối tiếp thuận cực, giả
thiết khi đó p = 2 và tương ứng với tốc độ đồng bộ 0. Khi đổi nối thành YY, các

đoạn dây được nối song song ngược cực ( giống như hình 5.7) nên p = 1 và tốc độ là
20.
Để dựng các đặc tính điều chỉnh, ta cần xác định các trị số Mth, sth và 0 cho
từng cách nối dây.
* Đối với trường hợp đổi nối:   YY, ta có các quan hệ sau. Khi nối , hai
đoạn dây stato nôi nối tiếp nên:

R1  2 r1 ; X 1  2 x1
R1  2r1 ; X 1  2 x1 ; X nm



 2 xnm 

(5.15)

Trong đó: r1, r2, x1, x2 ­ lần lượt là điện trở, điện kháng mỗi đoạn dây stato và
rôto.
Điện áp trên dây quấn mỗi pha là Uf =

sth ,  

R2' 
R12  ( X 1  X 2'  )2

Giáo trình Truyền động điện



3 U1. Do đó:

r2'
2
r12  x nm

(5.15)

105


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Mth, 

3( 3U1 f )2
2
20 ( R1  R12  X nm
)




9U1 f 2

(5.16)

2
40 (r1  r22  xnm
)

Nếu đổi nối thành YY thì:
R1YY = r1/2; X1YY = x1/2; R2YY = r2/2; X2YY = x2/2

(5.17)

Điện áp trên dây quấn mỗi pha là UfYY = u1, vì vậy:

sth ,YY 

Mth ,YY 

R2' YY
R12YY  ( X 1YY  X 2' YY )2



r2'
2
r12  x nm

3(U1 f )2
2
20 YY ( R1YY  R12YY  X nmYY
)



 sth ,

(5.18)

3U1 f 2

(5.19)

2
20 ( r1  r12  xnm
)

Từ đây ta thấy: sth,YY = sth, và Mth,YY = 2Mth,/3. Như vậy khi đổi nối   YY
tốc độ không tải lí tưởng tăn 2 lần, độ trượt tới hạn không đổi và mômen tói hạn giảm
còn 2/3. Đồ thị như hình 5.9a)
* Đối với trường hợp đổi nối: Y  YY, phân tích tương tự. Khi nối Y, các
đoạn dây nối nối tiếp và điện áp trên các pha là U1, nên ta có:

sth ,Y 

Mth ,Y 

r2'

(5.20)

2
r12  x nm

3U1 f 2
2
1

(5.21)

2
nm

40 (r1  r  x )

Ta có: sth,YY = sth,Y và Mth,YY = 2Mth. Như vậy, khi đổi nối Y  YY tốc độ
không tải tăng lên 2 lần, mômen tới hạn tăng 2 lần và độ trượt tới hạn không thay đổi.
Đồ thị như hình 5.9b)




0YY

0YY

0

0Y

M
0

MthYY
a)

Mth

M
0

MthY

MthYY

b)

Hình 5.8: Các đặc tính cơ khi đổi nối dây quấn   YY (a) và Y  YY (b)

Giáo trình Truyền động điện

106


Trng cao ng ngh Nam nh
4.6. IU CHNH TN S NGUN CP CHO NG C

4.6.1. Mụ t ng c KB di dng cỏc i lng vộc t
4.6.1.1. Khi iu chnh tn s ng c KB:
Thng kộo theo iu chnh in ỏp, dũng in hoc t thụng mch stato, do
tớnh cht phc tp ca cỏc quỏ trỡnh in t trong ng c KB nờn khụng th s
dng trc tip cỏc phng trỡnh, biu thc ó phõn tớch cho trng hp iu chnh tn
s. thun tin cho vic kho sỏt h thng iu chnh tn s, di õy trỡnh by
phng phỏp ỏnh giỏ cỏc quỏ trỡnh in t di dng cỏc vộc t.
Trong ng c KB, cú ớt nht 6 cun dõy trờn mch t, phng trỡnh cõn bng
in ỏp ca mi cun nh sau:
uk = Rkik +

dk
dt

(5.22)

Trong đó : k là tên của dây quấn.
ia

Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ
qua tổn hao sắt thì Mđiện từ của động


1

k
cơ là: M = i k
t
k

Ua
UA

(5.23)

UC



iC

iA

Để đơn giản trong khi viết, coi động
cơ có hai cực (p' = 1) (hình vẽ dưới).
Trong đó các chỉ số bằng chữ
thường a, b, c chỉ các dây quấn pha stato,
các chỉ số bằng chữ hoa A, B, C chỉ các
dây quấn pha rô to, góc lệch giữa dây

iB

Uc
ic

ib

Ub

UB

Hỡnh 5.9. S nguyờn lý dõy qun ng
c khụng ng b.

quấn rô to và dây quấn stato là thì tốc
l o hm theo gúc lch ny, =

d
t thụng múc vũng qua cỏc cun dõy ca
dt

cỏc dõy qun:
k =

L kj i j

(5.24)

k

Trong ú: j l ch s ch cỏc pha dõy qun. Khi j = k cú t thụng t cm, j k cú t
thụng h cm
Vớ d cú th tớnh c t thụng ca cun dõy pha a ca dõy qun stato:
a = Laaia + Labib + Lacic + LaAiA + LaBiB + LaCiC

(5.25)

nu cỏc dõy qun ca ng c i xng v khe h khụng khớ ca ng c u thỡ:
Ra = Rb = Rc = Rs ;

RA = RB =

Laa = Lbb = Lcc = Ls1

LAA = LBB = LCC = Lr1

Lab = Lbc = Lca = ư Ms

LAB = LBC = LCA = ư Mr

Giỏo trỡnh Truyn ng in

RC = R r
(5.26)
107


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Với :

Ls1, Lr1: điện cảm tự cảm của từng dây quấn stato, rôto

Ms,Mr : hỗ cảm giữa các dây quấn stato, giữa các dây quấn rôto với nhau. Hỗ
cảm giữa dây quấn stato với dây quấn rô to phụ thuộc vào góc lệch không gian giữa
hai dây quấn này. Hỗ cảm giữa hai dây quấn cùng pha ở stato sẽ đạt cực đại khi trục
của hai dây quấn trùng nhau, tương ứng lúc đó có điện cảm hỗ cảm M:
LaA = LAa = LbB = LBb = LcC = LCc = M.cos

(5.27)

Hỗ cảm giữa hai dây quấn khác pha ở rô to và stato được tính đến khi các dây
quấn lệch pha nhau một góc 2/3 trong không gian.
LaB = LBa = LbC = LcB = LcA = LAc = M.cos( + 2/3)

(5.28)

LAb = LbA = LBc = LCb = LCa = LaC = M.cos( ­ 2/3)
Để đơn giản trong khi viết, coi các đại lượng điện và từ là các véc tơ và thông
số của mạch là các ma trận thông số:

a 
A 
i a 
i A 
u a 
u A 










 
s = b , r = B , is = i b , ir = i B , us = u b , ur = u B
 
 
 
 
 
 
c 
C 
i c 
i C 
u c 
u C 

R s
Rs =  0

 0
 L s1
Ls =  M s

 M s

0
Rs
0

0
0 ,

R s 

 Ms
L s1
 Ms

R r
Rr =  0

 0

0
Rr

 Ms 
 Ms  ,

L s1 

0

(5.29)

0
0

R r 

 L r1
Lr =   M r

 M r

 Mr
L r1
 Mr

 Mr 
 Mr 

L r1 

cos 
cos(  2 / 3) cos(   2 / 3)



Lm() = M cos(  2 / 3)
cos 
cos(   2 / 3)


cos(   2 / 3) cos(   2 / 3)

cos 
Thay thế các đại lượng trong (5.27), (5.28), (5.29) và (5.24) sau đó rút gọn ta
được biểu thức tính từ thông:

s   L s 
  = L ()t
 r  m

L m () is 
L r   i r 

(5.30)

Trong đó : chỉ số t chỉ ma trận chuyển vị.
Tiếp tục thay thế (5.30) vào (5.22) và (5.23) ta được các phương trình mô tả
động cơ KĐB ba pha, trong đó để đơn giản trong biểu diễn ta bỏ các dấu ngoặc ở các
ma trận thông số.

Giáo trình Truyền động điện

108

Trường cao đẳng nghề Nam Định

u s 
 =
 
u r 

d

R

L
s
s

dt

d
 Ltm ()

dt

M = i st

d
[Lm()ir]
d

d  i s 
dt   
d 
R r  L r  i 
dt   r 
L m ()

(5.31)

(5.32)

Các phương trình này là các phương trình phi tuyến và có hệ số biến thiên theo
theo thời gian vì điện cảm Lm phụ thuộc vào góc quay:
 = o +  ( t )dt
Ngay cả ở chế độ xác lập,  = const thì hỗ cảm giữa stato và rô to cũng biến
thiên có chu kỳ.

4.6.1.2. CHUYỂN VỊ TUYẾN TÍNH CÁC PHƯƠNG TRèNH
Việc giải trực tiếp các phương trình (5.31), (5.32) rất khó khăn nên thường
chuyển vị các phương trình này sang hệ toạ độ khác sao cho sự biến thiên của các hệ
số bị loại bỏ. Ba dòngđiện pha của động cơ lệch pha nhau về thời gian là 2/3, chúng
lại được đặt lệch nhau một góc 2/3 trong không gian, như thế ở từng thời điểm khác
nhau tổng của ba dòng điện này gọi là véc tơ dòng điện không gian có biên độ không
đổi | is| nhưng góc lệch khác nhau.
i

(a)

ia

ib

ic

ia

/2

0
/6

et

/3
a
is(/6)

+1()
2

is(0)

ia + aib + a ic

is(/3)

a

aib ia
is

is(/2)

2

a ic

ia
is

is
aib
b

(b)

c

b

(c)

c

Hình 5.10. Véc tơ dòng điện không gian mạch stato

Giáo trình Truyền động điện

109

Trường cao đẳng nghề Nam Định

Véc tơ dòng điện không gian is có thể xác định được nếu biết ba véc tơ dòng
điện pha (ia, ib, ic) (hình 5.11c)
2
3

j
2
is = (ia + aib + a2ic) với a = e
3

(5.33)

Vì véc tơ is quay trong mặt phẳng vuông góc với trục rô to nên có thể phân tích
thành hai thành phần vuông góc với nhau:

3
(ib ­ ic)
3

iS = is + jis ; is = Im{iS} =
is = Re{iS} =

1
(2ia ­ ib ­ ic) = ia
3

= Re{iS} + iso

(5.34)

nếu hệ ba pha đối xứng
nếu hệ ba pha không đối xứng.

Trong đó: iso là thành phần thứ tự không: iso =

1
(ia + ib + ic)
3

(5.35)

Cho hệ trục toạ độ vuông góc, trên đó biểu diễn véc tơ dòng điện không gian,
quay với tốc độ k nào đó và gọi đó là trục w = (u, v, 0). Vị trí của hệ trục w sẽ là: k
= ok + kt và véc tơ dòng điện không gian trong hệ trục mới là isw = is e  j k , các
thành phần của dòng điện trong hệ trục mới được tính:
isu = Kdiacosk + ibcos(k ­ 2/3) + iccos(k + 2/3)
isv = Kqiasink + ibsin(k ­ 2/3) + icsin(k + 2/3)
iso = Koia + ib + ic

(5.36)

a

A

u

v 

K

VK

isw

isu


isv

C

jv
b

B

c

Hình 5.11. Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ toạ độ quay.

Việc tính đổi ngược lại từ hệ (u, v, 0) sang hệ (a, b, c) cho dòng điện rôto được
thực hiện bằng cách giải hệ phương trình trên:
Giáo trình Truyền động điện

110

Trường cao đẳng nghề Nam Định

ia =

2 1
1
2 1
isucosk ­
isvsink +
iso
3 Kq
3 Kd
3K o

ia =

2 1
1
2 1
isucos(k ­ 2/3)­
isvsin(k ­ 2/3) +
iso
3 Kq
3 Kd
3K o

ia =

2 1

1
2 1
isucos(k + 2/3)­
isvsin(k + 2/3) +
iso
3 Kd
3K o
3 Kq

(5.37)

Tương tự như trên có thể chuyển vị điện áp ba pha thành hai pha (u, v, 0)... Các
đại lượng ở mạch rô to cũng có thể được chuyển vị sang hệ (u, v, 0) với thủ tục giống
hệt như trên, chỉ cần để ý rằng dây quấn rô to đang ở vị trí  nên ở các biểu thức thay
vì viết k cần viết (k ­ ), ví dụ:
irw = ir e  j( k  )

(5.38)

Các hệ số Kd, Kq, Ko được chọn theo điều kiện cân bằng công suất trước và sau
khi chuyển vị, trong trường hợp này, khi đã chọn dòng điện không gian theo (5.33)
thì Kd = Kq =

3
2
, Ko =
. Theo thủ tục đã nêu ở (5.36) có thể tính được các thành
3
3

phần của từ thông stato trong hệ (u, v, 0):
su = Lsisu +

2L m
[iAcos(k ­ ) + iBcos(k ­  ­ 2/3) + iCcos(k ­  + 2/3)]
3

sv = Lsisv +

2L m
[iAsin(k ­ ) + iBsin(k ­  ­ 2/3) + iCsin(k ­  + 2/3)]
3

so = Lsoiso
Trong đó:

(5.39)
Ls = Ls1 + Ms
Lso = Ls1 ­ 2Ms

(5.40)

Lm = 2M/3
Phần trong ngoặc vuông chính là các thành phần của dòng điện rô to trong hệ
(u, v, 0) nên:
su = Lsuisu + Lmiru

(5.41)

sv = Lsvisv + Lmirv

so = Lsoiso
Ta thấy rằng chỉ có các dây quấn thành phần đồng trục mới có cảm ứng từ, còn
các dây quấn thành phần vuông góc với nhau thì, như nguyên lý cảm ứng điện từ đã
chỉ ra, giữa chúng không có cảm ứng. Tương tự như trên, có thể tính được từ thông
rô to trong hệ (u, v, 0):
ru = Lruiru + Lmisu
Giáo trình Truyền động điện

(5.42)
111


Trường cao đẳng nghề Nam Định

rv = Lrvirv + Lmisv
ro = Lroiro
Trong đó Lr = Lr1 + Mr;

Lro = Lr1 ­ 2Mr

Các véc tơ từ thông được viết như sau:
sw = Lsisw + Lmirw = s e

 j k

(5.43)

rv = Lrirw + Lmisw = r e  j(  k  )
Thay thế các biểu thức dòng điện và từ thông vào (5.42) và (5.43) ta được hệ
phương trình mô tả ĐC KĐB trong hệ toạ độ (u, v, 0):

d
 i sw 
u sw   R  L ( d  j )
L
(
 j k )
s
s
k
m

 

=
dt
dt

 


d
d

L
[

j
(




)]
R

L
[

j
(



)]
 i 
u rw 
m
k
r
r
k

dt
dt
  rw 
M=

(5.44)

2

LmIm{iswi*rw}
3

Trong đó: i*rw là véc tơ dòng điện rô to liên hợp.
Do cách chuyển vị các véc tơ mà các hệ số của các phương trình chỉ còn phụ
thuộc vào tốc độ quay của rô to, trong các trường hợp củ thể có thể dễ dàng giải được
các phương trình này. Trong thực tế tính toán thường chọn cố định cố định tốc độ
quay của hệ k = const và thấy bằng các giá trị đặc biệt:
(1) k = 0, hệ toạ độ đứng yên, ký hiệu là hệ trục (, , 0).
(2) k = , hệ toạ độ gắn chặt vào rô to, ký hiệu là hệ trục (d, q, 0).
(3) k = o, hệ toạ độ gắn chặt vào từ trường quay, ký hiệu là hệ trục (x, y, 0).
Nếu máy điện có số đôi cực p' >1 thì các đại lượng cơ học được tính đổi :
 = jp';

 = jp';

M = Mj/p';

Mc = Mcj/p'; I = Ij/p'

(5.45)

Việc tính đổi các đại lượng ở mạch rô to thực hiện như sau, nếu số vòng dây ở
dây quấn stato và rô to khác nhau:

Nr
ms N s
m r N 2r
m r N 2r
u ' r ; ir =

i' r ;Rr =
ur=
R' r ;Lr =
L ' r
Ns
mr Nr
m s N s2
m s N s2
Trong đó:

(5.46)

Ns, Nr: số vòng dây tác dụng của dây quấn stato, rô to.
ms,mr : số pha stato, rô to.

Ở chế độ xác lập có thể viết lại hệ (5.44) khi đặt d/dt = 0 và các véc tơ không
gian được thay thế bằng số phức, ví dụ trong hệ toạ độ (x, y, 0) thì:

 s  R s  jo L s
U
 =
0   js L m
Giáo trình Truyền động điện

jo L m   I s 
 
R r  js L s   I r 

(5.47)

112


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Trong đó s = o ­  là tần số trượt của động cơ.
Nhân cả hai vế phương trình thứ hai với 1/s ta được hệ sau:

 s = Rs I + jo(Lm Ls) I + joLm I
U
s
s
r
0=

(5.48)

Rr 
I r + jo[Lm I s + (Lm + Lr) I r ]
s

Và ta tìm lại được sơ đồ thay thế của động cơ KĐB trong hệ toạ độ quay đồng
bộ với từ trường quay như trên hình 5.13.
IS
RS
US

0Ls
ES

0Lr
0Lm

Ir
Rr

Hình 5.12: Sơ đồ thay thế ĐC KĐB ở chế độ
xác lập, trong hệ toạ độ quay.

Từ sơ đồ thay thế trên có thể tìm được các đại lượng vật lý của động cơ KĐB
theo cách tính một sơ đồ mạch thông thường.

Biên độ véc tơ dòng điện stato:

F(s) =

(

Is =

I s I *s =

Us
o

(

Rr 2
)  L2r
s

F(s)

(5.49)

Rs R r
R
R
 L s L r ) 2  ( s L r  r L s ) 2
o s
o
s

Biên độ véc tơ dòng điện rô to:

Biên độ véc tơ từ thông động cơ:

Ir =

=

UsL m
o

Us Lm
o F(s)
(

(

Rr 2

)  L2r
s
F(s)
Rr 2
)  L2r
s
F(s)

Biên độ véc tơ từ thông stato:

s =

U sLs
o

Mô men điện từ của động cơ :

M=

U s2 L2m R r 1
2o s F 2 (s)

Giáo trình Truyền động điện

(5.50)

(5.51)

(5.52)

(5.53)

113


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Trong nhiều trường hợp có thể tính mô men động cơ qua dòng điện stato hoặc
qua dòng điện rô to:
M=

R
L s (1  ) 2
I s , M = r I 2r
Rr
L r


L r
Rr

(5.54)

L2m
Trong đó hệ số tản từ:  = 1 ­
Ls L r
M
/0

1

0
Chế độ ĐC

Chế độ MF

Hình 5.13

4.6.2. Điều chỉnh tần số - điện áp
4.6.2.1. Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải :
Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện, ... của động cơ không
thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng
thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ truyền động biến tần nguồn áp ­ động
cơ thường có yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải về mô men không đổi trong suốt dải
điều chỉnh tốc độ. Mô men cực đại mà động cơ sinh ra chính là mô men tới hạn Mth,
khả năng quá tải về mô men được quy định bằng hệ số quá tải mô men M: M =
Mth/M
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato Rs (coi
0đm
Rs =0) thì từ (5.53) có thể tính được mô men tới  đm


U đm,f đm

hạn như sau:
Mth =

L2m

U s2

2L2s L r

Us 2
=
K(
)
o
o2

(5.55)

0


U,f
Mc()
M

Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là:

M th
M =
= Mthđm/Mđm
M

Mth

(5.56)

Mthđm

Hình 5.14: Xác định khả năng quá
tải về mômen

Thay (5.53) vào (5.54) và rút gọn ta được:

Us

o



Us®m

o®m

M
Mth®m

Giáo trình Truyền động điện

(5.57)

114


Trường cao đẳng nghề Nam Định

Đặc tính cơ gần đúng của các máy sản xuất có thể viết như sau:
Mc = Mđm(

o x
)
o  m

(5.58)

Từ (5.57) và (5.58) rút ra được luật điều chỉnh tần số ­ điện áp để có hệ số quá
tải về mô men không đổi:

Us
o 1 2x
fs 1 2x
(
) =(
)
Us®m
o®m
fs®m
hay ở dạng tương đối:

(5.59)

u *s  fs*(1 x / 2)

4.6.2.2. Các bộ biến đổi tần số - điện áp :
Sơ đồ nguyên lý mạch lực của một bộ biến tần nguồn áp trên hình 5.15 bao gồm
bốn khối chức năng chính: nguồn điện một chiều NMC, mạch lọc F, nghịch lưu độc
lập nguồn áp NL, và động cơ KĐB. Nguồn một chiều và mạch lọc tạo ra điện áp một
chiều có giá trị điều chỉnh được, nghịch lưu gồm 6 van bán dẫn S1, S2, ..., S6 và cần 6

và không điều khiển D1, D2, ..., D6.
Id
Ud/2
UaN
Ud

D3

D5

S1

S3

S5

ia

ua

a

C0
Ud/2

UđkU

D1

b

D4

D6

c

D2
S4

S6

S2

Hình 5.15: Sơ đồ nguyên lí biến tần nguồn áp

Các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định (hình 5.16a) tạo thành
điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ, góc dẫn của các khoá là 180 o, thời điểm
các khoá S1, S3, S5 và S2, S4, S6 bắt đầu dẫn lệch nhau 120o, do đó điện áp ra của
nghịch lưu cũng lệch nhau về thời gian là 120o. Điện áp dây của nghịch lưu có dạng
xung chữ nhật với độ rộng là 120o và thoả mãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều
hoà:
uab =


2 3
1
k

u d  cos .sin( ke t  )


6
6
k 1 k

(5­60)

Thành phần điều hoà cơ bản của (5.60) có biên độ:

U1abm =

2 3
ud = 1,103u d


Giáo trình Truyền động điện

(5.61)

115


Trường cao đẳng nghề Nam Định

và có giá trị hiệu dụng là:

U1ab =

6
ud = 0,78u d


Giá trị hiệu dụng của chuỗi (5.60) là:

Uab =

k

Biên độ tầng sóng hài thứ k: U abm

(5.62)

6
u d = 0,816ud
3

2 3
ud
k

(5.63)

(5.64)

Đồ thị điện áp pha của động cơ có dạng bậc thang, tại thời điểm các khoá
chuyển mạch thì điện áp pha có đột biến nhảy cấp, giá trị từng cấp được xác định như
hình 5.16b. Dòng điện của động cơ là ghiệm của phương trình vi phân mô tả động cơ
được giải ở từng đoạn, khi điện áp pha không đổi. Dũng điện có dạng xoay chiều như
hỡnh dưới.
S6

t

S5
S4
S3
S2
S1


UaN

Ud/2

0

2

t

t

UbN
Ud/2

0

t

Uab
Ud

0
Ua

t
2Ud/3

0

t

Hình 5.16: Nguyên lí tạo điện áp xoay chiều 3 pha
a) Luật đóng cắt khoá S; b) Đồ thị đIện áp dây và pha.
Giáo trình Truyền động điện

116


Trường cao đẳng nghề Nam Định
uab


0

2

t

ua
t

0
ia

t

0
D1
D6

S1,S6

S1,D3

D3
D4 S3,S4

S4,D6

Hình 5.17: Đồ thị dòng điện và khoảng dẫn của các van

Các khóa Si (i = 16) là các khoá bán dẫn, ở các truyền động điện cộng suất nhỏ
thường dùng các tranzitor, ở các truyền động điện công suất lớn thường dùng các van
thyristor, khi này việc khoá các van được thực hiện bằng các mạch đặc biệt như dùng
tụ điện và các Thyristor phụ, ... Thời gian gần đây có sử dụng các van bán dẫn khoá
được bằng xung điều khiển GTO.
Giá trị điện áp động cơ được điều chỉnh hoặc bằng cách điều chỉnh biên độ điện
áp một chiều qua chỉnh lưu điều khiển hoặc bộ băm xung áp (hình 5.18a). Điện áp
cũng có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thời gian đóng của các khoá Si
(hình 5.18b) hoặc bằng điều chế độ rộng xung bằng chính nghịch lưu (hình 5.18c,d).
Phương pháp sau được sử dụng rộng rãi nhất là ở các truyền động công suất nhỏ do

có ưu điểm là vừa điều chỉnh được biên độ điện áp vừa làm "sin" hoá được điện áp
đặt vào động cơ. Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp, phương pháp điều chế
độ rộng xung có thể làm triệt tiêu các sóng hài bậc cao.

Giáo trình Truyền động điện

117


Trường cao đẳng nghề Nam Định
u
a)

t
0

u
b)

t
0

u
c)

t
0

u
d)

t
0

T/2

T/2

Hình 5.17: Các phương pháp điều chỉnh điện áp nghịch lưu tần số - điện áp.
a) điều chỉnh biên độ; b) điều chỉnh độ rộng xung;
c) điều chỉnh độ rộng bằng điều chế 1 cực tính;
d) điều chế 2 cực tính.

Giáo trình Truyền động điện

118


Trường cao đẳng nghề Nam Định
Bài 5: CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

* Mục đích
Sinh viên cần nắm được các bước để thực hiện tính chọn công suất cho động cơ,
phân biệt được yêu cầu tính chọn cho động cơ để đạt được các yêu cầu cả về kinh tế
cũng như kỹ thuật.
* Tóm tắt nội dung
Cung cấp cho sinh viên nội dung về:
­ Tính chọn công suất độn cơ cho hệ thống truyền động điện không điều chỉnh
tốc độ
­ Tính chọn công suất độn cơ cho hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc

độ

Giáo trình Truyền động điện

119