Mô hình hóa và mô phỏng động cơ 5 pha không đồng bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển
động cơ không đồng bộ năm pha
NGUYỄN SỸ HỒNG ĐỨC


Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
Chuyên ngành Tự động hóa công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Võ Duy Thành
Chữ ký của GVHD

Bộ môn:
Viện:

Tự động hóa công nghiệp
Điện

HÀ NỘI, 1/2020



Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS. Võ Duy Thành đã hướng dẫn
tận tình, quan tâm, tạo điều kiện về mặt tinh thần, định hướng, kiến thức cho em
trong thời gian qua, giúp đề tài được hoàn thành tốt nhất. Bên cạnh đó, em xin gửi
lời cảm ơn chân thành tới nghiên cứu sinh, anh Nguyễn Văn Hùng và anh Nguyễn

Bảo Huy đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù đã có
nhiều cố gắng trong công tác nghiên cứu nhưng do hạn chế về mặt kinh nghiệm,
khả năng bản thân, thời gian thực hiện, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu
sót, những phương án chưa tốt, và cần sự tranh luận góp ý để phát triển. Vì vậy,
em hy vọng được nhiều lời khuyên, định hướng, góp ý từ các thầy cô. Em xin chân
thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án
Đề tài Đồ án tốt nghiệp: “Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển động cơ
không đồng bộ năm pha”. Nội dung chính của bản báo cáo Đồ án tốt nghiệp được
chia thành năm chương như sau:
 Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ
 Chương 2: Mô hình hóa động cơ năm pha
 Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
 Chương 4: Mô phỏng trên Matlab Simulink
 Chương 5: Kết luận
Mục tiêu chính của đồ án sẽ là xây dựng được mô hình động cơ năm pha và điều
khiển dựa trên phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor trên công cụ Matlab.
Đồng thời đồ án sẽ tiến hành mô phỏng trường hợp xảy ra sự cố đối với động cơ
ba pha và năm pha để thấy được ưu điểm của động cơ năm pha.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ................. 1
1.1

Giới thiệu chung......................................................................................... 1

1.2

Vấn đề nghiên cứu ..................................................................................... 2
Động cơ không đồng bộ ba pha .................................................. 2
Sự cần thiết của động cơ không đồng bộ năm pha ..................... 2

1.3

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ năm pha ......................................... 2
Cấu trúc động cơ ......................................................................... 2
Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ năm pha ...... 4
Đặc điểm của động cơ không đồng bộ năm pha ......................... 7
Ứng dụng của động cơ không đồng bộ năm pha ........................ 9

1.4

Tình hình nghiên cứu ............................................................................... 11

1.5

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án ................................................................ 11

CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ NĂM PHA ................................. 12
2.1

Khái quát .................................................................................................. 12

2.2

Mô hình hóa động cơ ............................................................................... 13
Phương trình điện áp stator ....................................................... 15
Phương trình điện áp rotor ........................................................ 16
Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq
17
Hệ tọa độ từ thông rotor............................................................ 20
Các ma trận chuyển hệ tọa độ abcde-𝜶𝜷-dq ............................ 22

2.3

Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp ........................................................ 23
Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ....................... 23
Điều chế sinPWM cho nghịch lưu nguồn áp năm pha ............. 25

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN................................... 28
3.1

Bộ điều khiển PID.................................................................................... 28

3.2

Cấu trúc hệ thống điều khiển ................................................................... 29

3.3

Thiết kế bộ điều khiển ............................................................................. 29
Bộ điều khiển dòng điện ........................................................... 29
Bộ điều khiển tốc độ ................................................................. 31
Bộ điều khiển từ thông.............................................................. 32

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK ........................... 33


4.1

Thông số động cơ ..................................................................................... 33

4.2

Các khối tính toán trong MATLAB ......................................................... 33

4.3

Mô phỏng động cơ với tải ........................................................................ 36

4.4

Mô phỏng và so sánh với động cơ 3 pha.................................................. 41
Trường hợp động cơ chạy không gặp sự cố.............................. 41
Trường hợp động cơ gặp sự cố mất pha ................................... 43

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 45
5.1

Kết luận .................................................................................................... 45

5.2

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ............................................. 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 46
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 47
A1. Chi tiết thông số trong MATLAB SIMULINK ............................................ 47


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ......................................................................... 1
Hình 1.2: Cấu trúc động cơ không đồng bộ năm pha ............................................ 2
Hình 1.3: Rotor dây quấn ....................................................................................... 3
Hình 1.4: Rotor lồng sóc ........................................................................................ 4
Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ ............................................. 4
Hình 1.6: Mô tả hoạt động của động cơ xoay chiều .............................................. 5
Hình 1.7: Sơ đồ động cơ năm pha ......................................................................... 6
Hình 1.8: Thiết diện động cơ không đồng bộ năm pha với cách quấn tập trung... 6
Hình 1.9: Kiểu quấn dây tập trung ......................................................................... 7
Hình 1.10: Kiểu quấn rải........................................................................................ 7
Hình 1.11: Động cơ không đồng bộ năm pha ........................................................ 8
Hình 1.12: Động cơ điện dùng trong hải quân Mỹ ................................................ 9
Hình 1.13: Máy bay điện ..................................................................................... 10
Hình 1.14: Động cơ điện dùng trong tàu thủy ..................................................... 10
Hình 2.1: Cấu trúc mô hình động cơ.................................................................... 13
Hình 2.2: Mô hình toán động cơ .......................................................................... 19
Hình 2.3: Dạng vector phức dòng điện ................................................................ 20
Hình 2.4: Chuyển hệ tọa độ ................................................................................. 21
Hình 2.5: Khối chuyển hệ tọa độ dq-abcde ......................................................... 22
Hình 2.6: Khối chuyển hệ tọa độ abcde-𝛼𝛽 ........................................................ 22
Hình 2.7: Bộ so sánh lượng đặt mong muốn r(t) và tín hiệu sóng mang c(t) ...... 23
Hình 2.8: Sóng mang dạng răng cưa có sườn đi xuống ....................................... 23
Hình 2.9: Sóng mang dạng răng cưa có sườn đi lên ............................................ 23
Hình 2.10: Sóng mang dạng răng cưa tam giác ................................................... 23

Hình 2.11: Bộ điều chế như một phần của mạch vòng điều chỉnh ...................... 24
Hình 2.12: PWM một cực tính ............................................................................. 24
Hình 2.13: PWM hai cực tính .............................................................................. 25
Hình 2.14: Sơ đồ nghịch lưu năm pha như năm sơ đồ nửa cầu ........................... 25
Hình 2.16: Mô hình mạch nghịch lưu .................................................................. 27
Hình 3.1: Điều khiển với bộ điều khiển PID ....................................................... 28
Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển hệ thống ............................................................... 29
Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện ........................................................ 30
Hình 3.4: Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ .............................................................. 31
Hình 3.5: Cấu trúc bộ điều khiển từ thông .......................................................... 32
Hình 4.1: Mô hình toán của động cơ trên SIMULINK ....................................... 33
Hình 4.2: Khối tính toán 𝑖𝑠𝑑 ................................................................................ 34


Hình 4.3: Khối tính toán 𝑖𝑠𝑞 ................................................................................ 34
Hình 4.4: Khối tính toán từ thông ........................................................................ 35
Hình 4.5: Khối tính tốc độ và mô men động cơ ................................................... 35
Hình 4.6: Khối tính tần số trượt ........................................................................... 35
Hình 4.7: Tốc độ động cơ..................................................................................... 36
Hình 4.8: Momen động cơ ................................................................................... 36
Hình 4.9: Đáp ứng từ thông ................................................................................. 37
Hình 4.10: Dòng 𝑖𝑠𝑑 ............................................................................................ 37
Hình 4.11: Dòng 𝑖𝑠𝑞 ............................................................................................ 38
Hình 4.12: Dòng điện 5 pha ở động cơ ................................................................ 38
Hình 4.13: Phóng to dòng điện 5 pha động cơ ..................................................... 38
Hình 4.14: Điện áp 𝑉𝑑 động cơ ........................................................................... 39
Hình 4.15: Điện áp 𝑉𝑞 động cơ ........................................................................... 39
Hình 4.16: Phóng to điện áp 𝑉𝑑 ........................................................................... 39
Hình 4.17: Phóng to điện áp 𝑉𝑞 ........................................................................... 39
Hình 4.18: Điện áp cấp vào mạch nghịch lưu ...................................................... 39

Hình 4.19: Phóng to điện áp cấp vào mạch nghịch lưu ....................................... 40
Hình 4.20: Xung tam giác mạch nghịch lưu ........................................................ 40
Hình 4.21: Điện áp đầu ra của mạch nghịch lưu .................................................. 40
Hình 4.22: Đáp ứng tốc độ và momen của động cơ 5 pha ................................... 41
Hình 4.23: Đáp ứng tốc độ và momen của động cơ 3 pha ................................... 41
Hình 4.24: Phóng to momen động cơ 5 pha......................................................... 42
Hình 4.25: Phóng to momen động cơ 3 pha......................................................... 42
Hình 4.26: Tốc độ của động cơ 5 pha .................................................................. 43
Hình 4.27: Tốc độ của động cơ 3 pha khi bị mất pha .......................................... 43
Hình 4.28: Phóng to tốc độ động cơ 5 pha khi bị mất pha................................... 43


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1 Bảng thông số động cơ ......................................................................... 33


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1 Giới thiệu chung
Vào những năm đầu thế kỷ 17, bắt nguồn tại Anh và Pháp, nhiều nơi trên thế giới
bắt đầu bước vào giai đoạn cơ khí hóa trong lao động, sản xuất. Và vào năm 1784,
James Watt phát minh ra động cơ hơi nước đưa chúng ta đến với cuộc cách mạng
công nghiệp lần thứ nhất. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất đã mở ra một
kỷ nguyên mới trong lịch sử nhân loại-kỷ nguyên sản xuất cơ khí, cơ giới hóa.
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai được diễn ra vào khoảng những năm
1870. Đây là bước đánh dấu việc con người bắt đầu sử dụng năng lượng điện vào
các thiết bị, trong đó quan trọng nhất là động cơ điện. Sau đó, chúng ta có cuộc
cách mạng công nghiệp lần thứ ba với các dây chuyền sản xuất được tự động hóa
nhiều hơn. Hiện nay chúng ta đang bước vào thời kỳ của cuộc cách mạng công
nghiệp lần thứ tư với trí tuệ nhân tạo, internet vạn vận kết nối (Internet Of Things).
Tuy nhiên, cho dù có tự động hóa và trí tuệ nhân tạo, đối tượng cuối cùng tham gia

vào quá trình sản xuất vẫn là các động cơ.

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ

Động cơ điện nói chung gồm động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều.
Động cơ điện một chiều có ưu điểm là có thể điều chỉnh, thay đổi tốc độ và khả
năng làm việc trong điều kiện quá tải. Tuy nhiên động cơ điện một chiều có nhược
điểm là có hệ thống cổ góp-chổi than nên vận hành kém độ chính xác và không
đảm bảo an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. Đối với động cơ điện
xoay chiều, sẽ gồm động cơ không đồng bộ (Induction Motor) và động cơ đồng bộ
(Permanent Magnet Synchronous Motor). Trên thực tế, động cơ không đồng bộ
chiếm tới 70% thị phần do giá thành rẻ, dễ chế tạo, khả năng chịu quá tải lớn, động
cơ đồng bộ chỉ chiếm 30%. Đối với động cơ không đồng bộ, loại rotor lồng sóc
chiếm tỉ trọng rất lớn tới 90% còn rotor dây quấn chỉ chiếm 10%.

1


1.2 Vấn đề nghiên cứu
Động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ không đồng bộ ba pha rất phổ biến trong đời sống, thương mại, các ngành
công nghiệp và các tiện ích khác vì giá thành rẻ, hoạt động với độ tin cậy cao và
chi phí bảo dưỡng thấp.
Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ ba pha sẽ gặp khó khăn trong vài ứng dụng yêu
cầu độ tin cậy lớn, đòi hỏi sự vận hành liên tục mà không được phép dừng khi xảy
ra sự cố. Với động cơ không đồng bộ ba pha, khi xảy ra sự cố mất pha, động cơ sẽ
không thể tiếp tục hoạt động dẫn tới sự gián đoạn, đôi khi sẽ gây nguy hiểm. Do
đó động cơ năm pha được nghiên cứu nhằm khắc phục vấn đề chính này.
Sự cần thiết của động cơ không đồng bộ năm pha
Việc điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng khá phức tạp khi sử dụng trong các

ứng dụng đòi hỏi tốc độ biến thiên. Tuy nhiên với sự phát triển của thiết bị điện,
việc điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn. Và số
lượng pha trở thành tham số được đưa ra để thiết kế. Cùng với sự phát triển của
các bộ nghịch lưu và các sơ đồ điều khiển đã mở ra những ứng dụng mới cho động
cơ cảm ứng mà trước đây các động cơ DC được dùng là chính. Trong hầu hết các
ứng dụng, động cơ ba pha cảm ứng được sử dụng. Tuy nhiên, khi mà động cơ
không được cấp nguồn trực tiếp, chúng ta không cần tới số pha cụ thể. Nhiều pha
hơn thì sẽ có nhiều ưu điểm hơn. Động cơ nhiều pha có một vài ưu điểm hơn so
với động cơ ba pha truyền thống như giảm được nhấp nhô momen [1], giảm dòng
hài trên mỗi pha, độ tin cậy cao và khả năng chịu lỗi cao. Ngoài ra, với động cơ đa
pha chúng ta có thể giảm dòng ở các pha mà không phải tăng điện áp, lượng momen
tăng được cho mỗi đơn vị dòng hiệu dụng cao hơn với cùng một lượng tải. [2] [3]
Các động cơ nhiều pha với số pha lớn hơn ba được sử dụng trong các ứng dụng
yêu cầu công suất trung bình tới cao. Các động cơ cảm ứng đa pha được ứng dụng
trong các lĩnh vực đặc biệt mà yêu cầu độ tin cậy cao như các xe điện/ xe điện lai
(sử dụng đồng thời động cơ đốt trong và động cơ điện), các ứng dụng trong vũ trụ/
hàng không, các động cơ đẩy, đầu máy kéo và trong các ứng dụng yêu cầu công
suất cao khác.
1.3 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ năm pha
Cấu trúc động cơ

Hình 1.2: Cấu trúc động cơ không đồng bộ năm pha
2


Hình 1.2 là cấu trúc cơ bản của động cơ không đồng bộ năm pha rotor lồng sóc,
bao gồm: ổ lăn (ball bearing), đệm (bearing seal), rotor lồng sóc (squirrel cage
rotor), cuộn dây stator (stator coils), vỏ máy (cast-iron frame), nhãn máy
(nameplate), móc treo (lifting eye), ổ đấu dây (wiring box), vỏ đáy động cơ (end
bell), quạt tản nhiệt (cooling fan), lồng quạt (fan cover)

1.3.1.1. Stator
Stator có cấu tạo bao gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.
Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (
1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm
nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm
tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính
ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn
hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại.
Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.
1.3.1.2. Rotor
Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc.
Rotor dây quấn :
Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rôto thường
đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố
định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài.
Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ
vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện
hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối
ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử
dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ .

Hình 1.3: Rotor dây quấn

Rotor lồng sóc :
Kết cấu 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
3

ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng
mà người ta quen gọi là lồng sóc.
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ
rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ
số công suất của máy cao hơn.

Hình 1.4: Rotor lồng sóc

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ năm pha

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ

Hình 1.3 miêu tả nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ:
(1): Trục quay giúp tạo ra cơ năng để chuyển thành điện năng thông qua khung
dây
(2)+(3): Cơ cấu chổi than và cổ góp để dẫn điện ra/vào dây dẫn
(4): Trục của động cơ tạo ra chuyển động quay

4


Hình 1.6: Mô tả hoạt động của động cơ xoay chiều

Khi động cơ được cấp điện, trong dây quấn sẽ có các dòng điện chạy, hệ thống
dòng điện này tạo ra từ trường quay, quay với tốc độ: 𝑛1 =

60𝑓1
𝑝

trong đó 𝑓1 : tần số

nguồn điện, p: số đôi cực. Phần quay, nằm trên trục quay bao gồm lõi thép rôto.
Dây quấn rôto bao gồm một số thanh dẫn đặt trong các rãnh của mạch từ, hai đầu
được nối bằng hai vành ngắn mạch. Từ trường quay của stato cảm ứng trong dây
rôto sức điện động E, vì dây quấn stato kín mạch nên trong đó có dòng điện chaỵ.
Sự tác dụng tương hỗ giữa các thanh dẫn mang dòng điện với từ trường của máy
tạo ra các lực điện từ 𝐹𝑑𝑡 tác dụng lên thanh dẫn có chiều xác định theo quy tắc
bàn tay trái.
Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề măt rôto tạo
ra mômen quay rôto. Như vậy, ta thấy điện năng lấy từ lưới điện đã được biến
thành cơ năng trên trục động cơ. Nói cách khác, động cơ không đồng bộ là một
thiết bị điện từ, có khả năng biến điện năng lấy từ lưới điện thành cơ năng đưa ra
trên trục của nó. Chiều quay của rôto là chiều quay của từ trường, vì vậy phụ thuộc
vào thứ tự pha của điện áp lưới đăt trên dây quấn stato. Tốc độ của rôto 𝑛2 là tốc
độ làm việc và luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường và chỉ trong trường hợp đó mới
xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây quấn rôto. Hiệu số tốc độ quay của từ
trường và rôto được đặc trưng bằng một đại lượng gọi là hệ số trượt s:
𝑠=

𝑛1 −𝑛2
𝑛1

Khi s=0 nghĩa là 𝑛1 = 𝑛2 , tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế
độ không tải lý tưởng (không có bất cứ sức cản nào lên trục). Ở chế độ không tải
thực, s≈0 vì có một ít sức cản gió, ma sát do ổ bi …
Khi hệ số trượt bằng s=1, lúc đó rôto đứng yên (𝑛2 = 0), momen trên trục bằng
momen mở máy.
Hệ số trượt ứng với tải định mức gọi là hệ số trựơt định mức. Tương ứng với hệ số
trượt này gọi tốc độ động cơ gọi là tốc độ định mức.

Giống như động cơ ba pha, động cơ cảm ứng năm pha hoạt động dựa trên ứng
dụng của định luật Faraday và Lorentz. Khi rotor lồng sóc được đặt trong từ trường
quay, EMF(lực điện động) được cảm ứng trong dây dẫn rotor do cảm ứng điện từ.
5


Từ đó, dòng điện bắt đầu được sản sinh trong dây dẫn rotor và tạo nên từ trường
riêng của nó. Vì sự tương tác giữa 2 từ trường này, momen xuất hiện và rotor bắt
đầu di chuyển. Sơ đồ của động cơ 5 pha được thể hiện ở hình 1.7 [4]. Cuộn kích
từ của động cơ cảm ứng được đặt trong stator và được kích thích bởi 5 cặp van bán
dẫn. Cuộn stator của 1 động cơ n pha có thể được thiết kế bằng cách đặt trong
không gian giữa giữa 2 pha stator liên tiếp nhau, 𝛼 = 2𝜋/𝑛, trong trường hợp này
tạo ra 1 động cơ nhiều pha đối xứng. Trường hợp này luôn xảy ra nếu số pha là 1
số nguyên tố lẻ. Trong động cơ cảm ứng 3 pha, 3 pha được đặt trong không gian
cách nhau 120 độ còn động cơ 5 pha sẽ là 72 độ (hình 1.8) [5]

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ năm pha

Hình 1.8: Thiết diện động cơ không đồng bộ năm pha với cách quấn tập trung

Tuy nhiên, nếu số pha là 1 số chẵn hoặc 1 số lẻ mà không phải số nguyên tố thì
cuộn stator có thể được đặt theo cách khác, với mỗi "k" cuộn dây có thì sẽ có "a"
pha phụ (n=a.k). Thông thường, 𝛼=3 và k=2,3,4,5,.. Trong hầu hết các trường hợp,
khoảng cách giữa giữa pha đầu tiên của 2 "a" pha phụ liên tiếp cuộn dây là 𝛼 =
2𝜋/𝑛, dẫn tới sự phân bố không đối xứng của các cuộn dây từ tính trong thiết diện
ngang của động cơ. [6]
Chúng ta gần như không thể thêm trực tiếp cuộn dây stator vào các khe stator của
động cơ 3 pha tiêu chuẩn để tạo ra động cơ 5 pha. Động cơ 5 pha yêu cầu phần
stator được cán mỏng riêng và biến tần riêng. Rotor lồng sóc tiêu chuẩn của động
cơ 3 pha có thể được sử dụng chung cho động cơ 5 pha [7]. Lợi ích của việc sử

dụng rotor lồng sóc là có thể điều chỉnh số lượng pha bất kì mà vốn không thể khi

6


sử dụng lồng tròn. Động cơ không đồng bộ 5 pha vẫn có thể cuốn rải hoặc cuốn
tập trung khi chế tạo động cơ.
Đặc điểm của động cơ không đồng bộ năm pha
Tùy thuộc vào kiểu quấn dây, độ tin cậy của động cơ có thể được cải thiện. Động
cơ với các cuộn dây được quấn tập trung giúp cho các cuộn dây không bị chồng
lên nhau phù hợp với việc chịu lỗi hơn [8]. Nó giúp làm các pha độc lập với nhau
về vật lý, từ đó làm giảm khả năng tương tác lỗi giữa các pha đồng thời hạn chế
dòng ngắn mạch. Ngoài ra, sự kết hợp phù hợp giữa các khe và các cực sẽ giúp các
pha ít tác động lên lẫn nhau. Để máy điện có hiệu suất tốt hơn, sự tương tác giữa
các pha phải ít đi, từ đó khi lỗi xảy ra ở 1 pha thì sẽ không tác động tới các pha
khác.

Hình 1.9: Kiểu quấn dây tập trung

Hình 1.10: Kiểu quấn rải

7


Kích từ stator trong động cơ nhiều pha sản sinh ra trường với ít dòng hài hơn, từ
đó hiệu suất của máy điện được tăng lên so với động cơ ba pha. Động cơ nhiều pha
có khả năng chịu lỗi cao hơn động cơ ba pha tương ứng. Nếu một trong ba pha của
động cơ bị hở mạch thì nó sẽ thành động cơ một pha. Động cơ vẫn có thể tiếp tục
chạy nhưng các giá trị định mức sẽ bị giảm mạnh. Nhưng trong trường hợp của
động cơ nhiều pha, nếu một pha bị hở mạch nó vẫn sẽ tiếp tục chạy và các giá trị

định mức sẽ bị suy giảm ít hơn. Các động cơ nhiều pha ít nhạy cảm hơn động cơ
ba pha với các thành phần hài thời gian dạng sóng kích thích. Các thành phần kích
thích đó tạo ra các xung momen ở nhiều tần số kích thích cơ bản.
Qua nhiều năm, rất nhiều ưu điểm của động cơ nhiều pha đã được nhận ra, bao
gồm hiệu suất momen cao hơn, giảm gợn momen xoắn, giảm dòng hài, hiệu suất
nhất thời và lâu dài tốt hơn, khả năng điều khiển mạnh mẽ hơn bởi khả năng bơm
dòng hài.
Tóm lại ưu và nhược điểm của động cơ năm pha như sau:
- Ưu điểm chính của việc sử dụng động cơ năm pha là nó vẫn có thể vận hành
tốt khi bị gặp lỗi. Động cơ năm pha có thể vận hành với một hoặc hai pha
bị hở mạch từ đó khả năng chịu lỗi của động cơ cao hơn. Trong cả hai trường
hợp pha bị ngắt là pha bị lỗi duy nhất, trong khi đó các pha còn lại vẫn sẽ
hoạt động trong điều kiện bình thường.
- Trong tất cả các trường hợp xảy ra lỗi, động cơ không đồng bộ năm pha vẫn
có thể chạy tiếp tục hoặc khởi động từ đầu. Tuy nhiên sẽ cần tới các bộ biến
tần đặc biệt, và đây là yêu cầu bắt buộc trong một vài ứng dụng thực tế.
- Cần biến tần năm pha để điều khiển động cơ

Hình 1.11: Động cơ không đồng bộ năm pha

8


Ứng dụng của động cơ không đồng bộ năm pha
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ
điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động
cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi Trong đời sống hàng ngày, động
cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong
cộng nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày.
Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết

bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết
bị điện dân dụng,… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ
bởi các hệ thống truyền động điện.
Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay
đổi được. Hiện nay khoảng 75-80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc
độ không đổi. Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều
khiển trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều
chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu. Với
sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các
hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công
cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa.

Hình 1.12: Động cơ điện dùng trong hải quân Mỹ

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại
hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng
bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ
vài chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường
được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy
công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong nông nghiệp, được dùng làm máy
bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không
9


đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió,
động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa,. . . Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền
sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng
bộ ngày càng rộng rãi.
So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn

bởi 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 máy của động cơ điện xoay chiều
so với máy điện một chiều.
Động cơ nhiều pha được ứng dụng trong các ứng dụng quan trọng yêu cầu an toàn
và khả năng chịu lỗi, độ tin cậy cao như tàu điện, động cơ lai, máy bơm, máy nén,
máy bay điện và trong các ứng dụng về hải quân vì việc động cơ lúc nào cũng phải
sẵn sàng là bắt buộc trong quá trình hoạt động.

Hình 1.13: Máy bay điện

Hình 1.14: Động cơ điện dùng trong tàu thủy

10


1.4 Tình hình nghiên cứu
Động cơ năm pha được biết đến vào năm 1969 khi mà các bộ chuyển mạch năm
pha được đề xuất. E.E WARD và Harrer [1] đã đặt nền móng cho động cơ nhiều
pha khi họ đưa ra các bộ chuyển mạch, nghịch lưu nhiều pha. Đồng thời hai ông
đã chứng minh được việc tăng số lượng pha sẽ giúp làm giảm độ gợn của momen.
H.A Toliyat, J.C. White, và T.A. Lipo đã nghiên cứu về hiệu suất của động cơ
không đồng bộ với các số lượng pha khác nhau khi cùng một bộ biến đổi tĩnh trong
cuốn “Analysis of a concentrated winding induction machine for adjustable speed
dive application part (i) and (ii)” vào năm 1991 [9]. Trong 10 năm tiếp theo, động
cơ đa pha thu hút được nhiều sự chú ý hơn nhưng vẫn còn hạn chế. Cho đến đầu
thế kỷ 21, động cơ nhiều mới trở thành trọng tâm nghiên cứu trong thế giới động
cơ. Động cơ đa pha cũng là kết quả từ sự phát triển, nghiên cứu từ ba lĩnh vực ứng
dụng cụ thể: tàu điện, các động cơ lai và các mô hình về máy bay điện.
Một số ứng dụng yêu cầu an toàn và độ tin cậy cao được sử dụng trong mục đích
nghiên cứu về động cơ nhiều pha, ví dụ như ứng dụng truyền động bơm nhiên liệu

máy bay. Thông thường, các máy bay bơm nhiên liệu từ hộp số động cơ. Các máy
bơm nhiên liệu được thiết kế sao cho lượng nhiên liệu được bơm là lớn nhất ở tốc
độ động cơ thấp, là khi cất cánh. Khi máy bay đã đạt được độ cao cần thiết, động
cơ chạy ở tốc độ rất cao nhưng lượng nhiên liệu yêu cầu sẽ ít hơn. Do đó, sẽ cần
tới một hệ thống riêng để trả lại nhiên liệu thừa. Vì vậy hệ thống truyền động đó
sẽ cần độ tin cậy rất cao.
Vào năm 2003, Mecrow đã đưa ra đề xuất động cơ đồng bộ bốn pha, sáu cực, với
công suất 16 kW và tốc độ định mức 15.000 rpm trong hệ thống truyền động bơm
nhiên liệu máy bay. Động cơ này được cấp nguồn bởi một biến tần độc lập. Động
cơ này được chế tạo với bốn pha được cô lập về mọi mặt: từ tính, tác động nhiệt
dẫn tới độ tin cậy của động cơ này cực cao.
1.5 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án
Như vậy, có thể thấy được rằng động cơ năm pha có nhiều ưu điểm trong những
lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Do đó việc tìm hiểu, nghiên cứu động cơ năm pha là cần
thiết. Và trong các phương pháp điều khiển, phương pháp điều khiển tựa theo từ
thông rotor được sử dụng trong đồ án này. Mục tiêu chính của đồ án sẽ là xây dựng
được mô hình động cơ năm pha và điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển
tựa theo từ thông rotor trên công cụ Matlab. Đồng thời đồ án sẽ tiến hành mô phỏng
trường hợp xảy ra sự cố đối với động cơ ba pha và năm pha để thấy được ưu điểm
của động cơ năm pha.

11


CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ NĂM PHA
2.1 Khái quát
Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong hệ truyền động công nghiệp dùng để
chuyển điện năng thành cơ năng. Đây là các thiết bị hiệu suất cao có khả năng điều
khiển độc lập mô men và từ thông. Có thể điều khiển các động cơ điện ở tốc độ
cao hơn tốc độ định mức bằng cách làm suy yếu từ thông. Việc điều chỉnh vector

bao gồm việc điều khiển biên độ và pha kích thích AC. Điều khiển vector điện áp
và cường độ dòng điện gây ra hiện tượng điều chỉnh định hướng các trường điện
từ trong máy, dẫn tới định hướng từ trường. Các sơ đồ điều khiển bên trong hệ
truyền động động cơ cảm biến bao gồm điều khiển vô hướng, điều khiển mô-men
trực tiếp, điều khiển thích nghi và điều khiển định hướng vector (từ trường).
Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm
hơn so với tốc độ quay của từ trường Stator. Ta thường gặp động cơ không đồng
bộ Rotor lồng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn. Stator được
quấn bởi các cuộn dây lệch nhau về không gian. Khi cấp điện áp vào dây quấn,
trong lòng Stator xuất hiện từ trường Fs quay tròn với tốc độ 𝑛 =

60𝑓
𝑝

, với p là số

cặp cực của dây quấn Stator, f là tần số.
Từ trường này móc vòng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn
lồng sóc của rotor. Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh
dẫn. Trong miền từ trường do Stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động
của lực Bio-Savart-Laplac. Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường
Fr (từ trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra momen kéo Rotor
chuyển động theo từ trường quay Fs của Stator.
Như chúng ta đã biết, đối với động cơ điện 1 chiều có thể điều khiển độc lập hai
thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích thích) và dòng tạo mô-men
quay (dòng mạch điện phần ứng). Do hai mạch điện động cơ một chiều hoàn toàn
cách ly, ta thu được các thuật toán điều chỉnh đơn giản và đòi hỏi ở vi xử lý một
lượng thời gian tính không lớn. Đối với hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện năm
pha, động cơ xoay chiều năm pha có cấu trúc phức tạp hơn. Vì vậy, ta sử dụng
phương pháp tựa theo từ thông rotor để tách các thành phần dòng tạo từ thông và

dòng tạo momen quay từ dòng điện xoay chiều năm pha trong động cơ.
Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và
từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ. Từ thông phải được giữ ở mức tối
ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của
mạch từ. Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng.
Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được. Yêu cầu điều khiển
chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có
đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto. Trong
các loại động cơ, động cơ không đồng bộ dễ chế tạo, giá thành rẻ nhưng điều chỉnh
chính xác tốc độ quay rất khó khăn. Nguyên nhân là sự tác động qua lại của từ
thông rotor và moment quay của động cơ, từ thông rotor là đại lượng rất khó đo
chính xác. Điều này dẫn đến việc điều khiển chính xác moment quay và tốc độ
12


quay gặp khó khăn, hiệu suất động cơ thấp. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của
ngành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các phương pháp
phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ đã dễ dàng hơn. Một trong những
phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field
orientated control - FOC). [10]
Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương
pháp khác nhau như: định hướng từ thông roto, định hướng từ thông stator, định
hướng từ thông khe hở không khí. Trong đó việc điều khiển từ thông roto (FOC)
được sử dụng rộng rãi bởi nó thỏa mãn 2 yếu tố:
-Dễ dàng cho việc mô hình hóa.
-Dễ dàng thiết kế, xây dựng cấu trúc điều khiển
𝑉𝑎
𝑉𝑏
𝑉𝑐

𝑉𝛼

𝑉𝑑

αβ

𝑉𝑒

Mô hình
điện

αβ

abcde
𝑉𝛽

dq

𝑉𝑞

𝛳𝑒
𝑖𝑎
𝑖𝑏
𝑖𝑐
𝑖𝑑

𝑖𝛼

abcde

αβ

ψ

𝑇𝐿
_
𝑇𝑒 +

1
𝐽𝑠

𝑖𝑑

αβ

𝑖𝛽

Mô hình
biến đổi
điện cơ

dq

𝑖𝑞

W

Mô hình
từ thông

𝑖𝑒

Hình 2.1: Cấu trúc mô hình động cơ

2.2 Mô hình hóa động cơ
𝑢sa (t)=Rsisa(t) +
𝑢sb (t)=Rsisb(t) +
𝑢sc (t)=Rsisc(t) +
𝑢sd (t)=Rsisd(t) +
𝑢se (t)=Rsise(t) +

𝑑𝜓𝑠𝑎 (𝑡)
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑠𝑏 (𝑡)
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑠𝑐 (𝑡)

PT 2.1

𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑠𝑑 (𝑡)
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑠𝑒 (𝑡)
𝑑𝑡

Với 𝑢sa (t), 𝑢sb (t), 𝑢sc (t), 𝑢sd (t), 𝑢se (t): điện áp trên năm cuộn dây pha của stator
𝜓𝑠𝑎 (𝑡), 𝜓𝑠𝑏 (𝑡), 𝜓𝑠𝑐 (𝑡), 𝜓𝑠𝑑 (𝑡), 𝜓𝑠𝑒 (𝑡): từ thông móc vòng trên năm dây quấn
stator
Rs: điện trở của cuộn dây stator
Ta sẽ có biểu diễn điệp áp theo dạng vector

2𝜋
4𝜋
6𝜋
2
PT 2.2
⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 = [𝑢𝑠𝑎 (𝑡) + 𝑢𝑠𝑏 (𝑡)𝑒 𝑗 5 + 𝑢𝑠𝑐 (𝑡)𝑒 𝑗 5 +𝑢𝑠𝑑 (𝑡)𝑒 𝑗 5
𝑢
5
8𝜋

+ 𝑢𝑠𝑒 (𝑡)𝑒 𝑗 5 ]
13


Thay phương trình PT 2.1 vào phương trình PT 2.2:
⃗⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 (𝑡)
𝑑𝜓
𝑠
𝑠
⃗⃗⃗⃗
⃗⃗
𝑢𝑠 (𝑡) = 𝑅𝑠 𝑖𝑠 (𝑡) +
𝑑𝑡

PT 2.3

Trong đó, điện áp và từ thông được biểu diễn dưới dạng vector như sau:
2𝜋
4𝜋
6𝜋

8𝜋
2
PT 2.4
𝑖⃗⃗𝑠𝑠 = [𝑖𝑠𝑎 (𝑡) + 𝑖𝑠𝑏 (𝑡)𝑒 𝑗 5 + 𝑖𝑠𝑐 (𝑡)𝑒 𝑗 5 +𝑖𝑠𝑑 (𝑡)𝑒 𝑗 5 + 𝑖𝑠𝑒 (𝑡)𝑒 𝑗 5 ]
5
⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑠𝑠 =

2𝜋
4𝜋
6𝜋
2
[𝜓𝑠𝑎 (𝑡) + 𝜓𝑠𝑏 (𝑡)𝑒 𝑗 5 + 𝜓𝑠𝑐 (𝑡)𝑒 𝑗 5 +𝜓𝑠𝑑 (𝑡)𝑒 𝑗 5
5

PT 2.5

8𝜋

+ 𝜓𝑠𝑒 (𝑡)𝑒 𝑗 5 ]
với 𝑖⃗⃗𝑠𝑠 ∶ vector dòng stator trên hệ tọa độ stator
⃗⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 ∶ vector từ thông stator trên hệ tọa độ stator
𝜓
⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 : vector điện áp stator trên hệ tọa độ stator
𝑢
Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch rotor
⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑟 (𝑡)
𝑑𝜓
𝑟
𝑟

⃗
⃗⃗⃗⃗
⃗⃗
𝑢𝑟 (𝑡) = 0 = 𝑅𝑟 𝑖𝑟 (𝑡) +
𝑑𝑡

PT 2.6

Với 𝑅𝑟 : điện trở rotor
⃗⃗𝑖𝑟𝑟 : vector dòng rotor trên hệ tọa độ rotor
⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑟𝑟 : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor
⃗⃗⃗⃗𝑟𝑟 : vector điện áp rotor trên hệ tọa độ rotor
𝑢
Giá trị điện cảm của các cuộn dây:
𝐿𝑚 : Hỗ cảm giữa rotor và stator
𝐿𝑠 : Điện cảm phía stator
𝐿𝑟 : Điện cảm phía rotor
𝐿𝜎𝑠 : Điện cảm tán phía stator
𝐿𝜎𝑟 : Điện cảm tán phía rotor
𝐿𝑠 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝜎𝑠
𝐿𝑟 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝜎𝑟
𝑇𝑠 =
𝑇𝑟 =

𝐿𝑠
𝑅𝑠
𝐿𝑟
𝑅𝑟

: hằng số thời gian stator
: hằng số thời gian rotor

𝜎 =1−

𝐿2𝑚
𝐿𝑠 𝐿𝑟

: hệ số từ tản toàn phần

Ta sẽ có các vector từ thông stator và rotor như sau:
⃗⃗⃗⃗𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖⃗⃗𝑠 + 𝐿𝑚 ⃗⃗𝑖𝑟
𝜓

PT 2.7
14


⃗⃗⃗⃗𝑟 = 𝐿𝑚 𝑖⃗⃗𝑠 + 𝐿𝑟 ⃗⃗𝑖𝑟
𝜓

PT 2.8

Động cơ không đồng bộ là 1 hệ điện cơ, vì vậy với động cơ không đồng bộ năm
pha ta cũng có phương trình momen và chuyển động tương tự như động cơ không
đồng bộ ba pha chỉ khác về hệ số
Phương trình momen:
5
5
PT 2.9

⃗⃗⃗⃗𝑠 ⃗⃗𝑖𝑠 = − 𝑃𝜓
⃗⃗⃗⃗𝑟 ⃗⃗𝑖𝑟
𝑇𝑒 = 𝑃𝜓
2
2
Phương trình chuyển động:
𝐽 𝑑𝜔
𝑇𝑒 = 𝑇𝐿 +
𝑃 𝑑𝑡

PT 2.10

Trong đó: 𝑇𝑒 : momen của động cơ (N.m)
𝑇𝐿 : momen tải (N.m)
P : số cặp cực của động cơ
J : momen quán tính cơ (𝐾𝑔. 𝑚2 )
𝜔 : tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s)
Ta sẽ sử dụng các phương trình cơ bản trên để xây dựng mô hình cho động cơ
không đồng bộ năm pha.
Phương trình điện áp stator
Áp dụng công thức chuyện hệ:
⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 = ⃗⃗⃗⃗
𝑢
𝑢𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘
𝑖⃗⃗𝑠𝑠 = ⃗⃗⃗
𝑖𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘
⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑠𝑠 = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘

PT 2.11

⃗⃗⃗⃗⃗𝑠𝑘
⃗⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 𝑑𝜓
𝑑𝜓
=
𝑒 𝑗𝑣𝑘 + 𝑗𝜔𝑘 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘
𝑑𝑡
𝑑𝑡
Thay các đại lượng mới chuyển hệ vào PT 2.3 ta sẽ thu được phương trình điện áp
stator mới trên hệ tọa độ quay với tốc độ góc 𝜔𝑘 .
⃗⃗⃗⃗
𝑢𝑠𝑘 = 𝑅𝑠 ⃗⃗⃗
𝑖𝑠𝑘 +

⃗⃗⃗⃗⃗⃗𝑘
𝑑𝜓
𝑠
𝑑𝑡

+ 𝑗𝜔𝑘 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑠𝑘

PT 2.12

Phương trình 2.12 là phương trình tổng quát áp dụng cho 1 hệ tọa độ bất kỳ, cho
hệ tọa độ cố định với stator hoặc hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor (còn
gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor) sẽ thu được:
𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 với 𝜔𝑠 là tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator và của vector

từ thông rotor

15


PT 2.13
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
𝑑𝜓𝑠
⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
𝑢𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑠 +
+ 𝑗𝜔𝑠 𝜓𝑠
𝑑𝑡
Hệ tọa độ này được chọn sao cho trục thực d của hệ trùng với trục của từ thông
rotor. Trong hệ tọa độ mới này, thành phần vuông góc q của từ thông rotor bằng
không. Hệ được gọi là hệ tọa độ dq

𝜔𝑘 = 0 đồng nghĩa với hệ tọa độ đứng yên. Ta chọn hệ sao cho trục thực 𝛼 trùng
với trục của cuộn dây pha u.
PT 2.14
⃗⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠
𝑑𝜓
⃗⃗⃗⃗𝑠𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖⃗⃗𝑠𝑠 +
𝑢
𝑑𝑡
Hệ tọa độ stator mới được gọi là hệ tọa độ 𝛼𝛽. Trong trường hợp thay 𝜔𝑘 = 𝜔 (tốc
độ góc cơ học của rotor), ta thu được phương trình điện áp stator tựa hướng rotor.
Tuy nhiên đối với việc mô tả động cơ xoay chiều năm pha trên hệ tọa độ tựa hướng
rotor không mang lại lợi ích gì trong việc mô tả các đại lượng, tính chất vật lý nên

ta không sử dụng.
Phương trình điện áp rotor
Ta sử dụng công thức chuyển hệ giống như phía stator
⃗⃗𝑖𝑟𝑟 = ⃗⃗⃗
𝑖𝑟𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘
⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑟𝑟 = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑟𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘

PT 2.15

⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑘 𝑑𝜓
⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑘
𝑑𝜓
=
𝑒 𝑗𝑣𝑘 + 𝑗𝜔𝑘 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑟𝑘 𝑒 𝑗𝑣𝑘
𝑑𝑡
𝑑𝑡
Thay các đại lượng trên vào phương trình PT 2.6:
PT 2.16
⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑘
𝑑𝜓
⃗ = 𝑅𝑟 ⃗⃗⃗
0
𝑖𝑟𝑘 +
+ 𝑗𝜔𝑘 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜓𝑟𝑘
𝑑𝑡
Phương trình PT 2.16 cũng có thể được biểu diễn trên hệ tọa độ tựa hướng từ thông

và hệ tọa độ stator
𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 − 𝜔 = 𝜔𝑟 : Hệ tọa độ mới chọn chuyển động tương đối so với rotor với
tốc độ góc 𝜔𝑟 . Hệ quay vượt trước rotor một khoảng tần số trượt 𝜔𝑟 và vì vậy hệ
tọa độ tựa hướng từ thông rotor. Sau khi thay 𝜔𝑟 vào PT 2.16 ta thu được phương
trình điện áp rotor trên hệ tọa độ dq:
PT 2.17
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
𝑑𝜓𝑟
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
+ 𝑗𝜔𝑟 𝜓𝑟
𝑑𝑡
𝜔𝑘 = −𝜔 : Ta coi rotor quay với vận tốc góc 𝜔, do đó hệ tọa độ mới sẽ quay ngược
chiều rotor với đúng vận tốc góc 𝜔. Vì vậy, hệ tọa độ mới quay với vận tốc góc 𝜔 là hệ tọa độ đứng im so với stator và ta có thể chọn sao cho hai trục tọa độ trùng
với hai trục tọa độ 𝛼𝛽 có ở trên.
PT 2.18
⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑠
𝑑𝜓
⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑠
⃗0 = 𝑅𝑟 ⃗⃗𝑖𝑟𝑠 +
+ 𝑗𝜔𝜓
𝑑𝑡
𝑓
⃗0 = 𝑅𝑟 ⃗⃗⃗
𝑖𝑟 +

16


𝜔𝑘 =

𝑑𝜃𝑘
𝑑𝑡

với 𝜃𝑘 là góc trục thực của hệ tọa độ bất kỳ “k” và trục 𝛼 của hệ tọa độ

stator
Phương trình PT 2.18 là phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ 𝛼𝛽.
Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓 𝑑𝜓𝑠
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
𝑢𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑠 +
+ 𝑗𝜔𝑠 𝜓𝑠
𝑑𝑡
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓 𝑑𝜓
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
0 = 𝑅𝑟 𝑖𝑟 + 𝑟 + 𝑗𝜔𝑘 𝜓𝑟
𝑑𝑡
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓 ⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
𝜓𝑠 = 𝑖𝑠 𝐿𝑠 + 𝑖𝑟 𝐿𝑚
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓 ⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
𝜓𝑟 = 𝑖𝑠 𝐿𝑚 + 𝑖𝑟 𝐿𝑟
{
5
5
⃗⃗⃗⃗𝑠 ⃗⃗𝑖𝑠 = − 𝑃𝜓

⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗𝑖
𝑇𝑒 = 𝑃𝜓
2
2 𝑟𝑟
𝐽 𝑑𝜔
𝑇𝑒 = 𝑇𝐿 +
𝑃 𝑑𝑡
Từ hai phương trình từ thông:
1 ⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
𝑖𝑟 = (𝜓𝑟 − 𝑖𝑠 𝐿𝑚 )
𝐿𝑟
𝐿𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗𝑓 ⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓 ⃗⃗⃗𝑓
𝜓𝑠 = 𝑖𝑠 𝐿𝑠 +
(𝜓 − 𝑖𝑠 𝐿𝑠 )
𝐿𝑟 𝑟
Thay PT 2.20 và PT 2.21 vào PT 2.19 đồng thời thay 𝜎, 𝑇𝑠 , 𝑇𝑟 :
⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
𝑑𝑖𝑠 𝐿𝑚 𝑑𝜓𝑟 𝑗𝜔𝑠 𝐿𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
⃗⃗⃗𝑓
𝑢𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑠 + 𝜎𝐿𝑠
+
+
𝜓𝑟 + 𝑗𝜔𝑠 𝜎𝐿𝑠 𝑖𝑠
𝑑𝑡

𝐿𝑟 𝑑𝑡
𝐿𝑟
⃗⃗⃗⃗⃗𝑓
𝐿𝑚 ⃗⃗⃗𝑓
1
𝑑𝜓𝑟
𝑓
⃗⃗⃗⃗⃗
⃗ =−
0
𝑖 + ( + 𝑗𝜔)𝜓𝑟 +
𝑇𝑟 𝑠
𝑇𝑟
𝑑𝑡

PT 2.19

PT 2.20

PT 2.21

PT 2.22

PT 2.23

Biến đổi PT 2.22 và PT 2.23:

17