Nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

NGUYỄN XUÂN ỨNG

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH KÍCH TỪ ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ CƠNG SUẤT LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TỰ ĐỘNG HÓA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

Hà Nội – 2004


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

NGUYỄN XUÂN ỨNG

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH KÍCH TỪ ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ CƠNG SUẤT LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TỰ ĐỘNG HÓA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM VĂN DIỄN

Hà Nội - 2004

Mục Lục
Trang
Lời nói đầu..............................................................................................1
Ch-ơng I:Tổng quan về động cơ không đồng bộ và ph-ơng pháp
khởi động động cơ đồng bộ..................................................................3

1.1.

Tổng quan về dạng động cơ đồng bộ.............................................3

1.2.

Các ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ ba pha.................7

1.3.

Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ.................................................11

Ch-ơng II: Mô hình toán học của động cơ đồng bộ và quá trình
động của động cơ khi khởi động...................................................16

2.1. Xây dựng mô hình véctơ không gian của máy điện có khe hở
đều..........................................................................................................17
2.2. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ............................................22
2.2.1. Hệ ph-ơng trình cơ bản của động cơ đồng bộ..............................22
2.2.2. Mô hình của động cơ trong hệ toạ độ tựa theo từ tr-ờng.............25
2.2.3.Mô phỏng quá trình khởi động của động cơ đồng bộ tải
quạt gió...................................................................................................32

Ch-ơngIII: Thiết kế nguồn kích từ động cơ đồng bộ
bằng bộ biến đổi Thyristor..............................................................48

3.1.Đặt vấn đề........................................................................................48
3.2.Chọn mạch động lực........................................................................48
3.3.Chọn mạch điều khiển.....................................................................49
3.4.Tính toán lựa chọn van và thiết kế máy biến ¸p..............................51
3.5.TÝnh to¸n thiÕt kÕ bé nguån cung cÊp cho m¹ch ®iỊu khiĨn...........71
3.6.TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p ®ång bé.......................................................76


3.7.Nguyên tắc tự động vào đồng bộ....................................................78
3.7.1.Yêu cầu mở máy động cơ đồng bộ...............................................78
3.7.2.Nguyên lý làm việc của mạch tự động vào đồng bộ.....................79
3.7.3.Tính chọn các phần tử của sơ ®å...................................................81


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

1

Luận văn thạc sỹ

Lời nói đầu
Động cơ đồng bộ ba pha là loại động cơ đ-ợc sử dụng nhiều trong
công nghiệp với dải công suất từ vài chục W đến hàng MW. Trong đó, động cơ
đồng bộ công suất nhỏ đ-ợc dùng để thay thế động cơ điện một chiều và động
cơ không đồng bộ, bởi vì động cơ đồng bộ mang những tính -u việt của cả
động cơ điện một chiều và động cơ không đồng bộ. Đặc biệt trong các hệ
truyền động công suất lớn, động cơ đồng bộ đ-ợc dùng để truyền động cho

các máy bơm n-ớc, quạt gió, máy nén khí, máy nghiền ...
Tuy nhiêu khi sử dụng động cơ đồng bộ công suất lớn có cuộn dây kích
từ đòi hỏi phải cung cấp nguồn một chiều. Các động cơ điện đồng bộ tr-ớc
đây do Liên Xô sản xuất truyền động cho các quạt ly tâm, quạt h-ớng trục
thông gió cho các hầm mỏ... th-ờng sử dụng máy phát điện một chiều để cấp
nguồn cho cuộn dây kích từ. Hệ thống này có nh-ợc điểm: cồng kềnh, giá
thành cao, bảo d-ỡng phức tạp, quá trình sử dụng chổi than và vành góp của
máy phát điện một chiều bị ăn mòn làm giảm chất l-ợng kích từ của động cơ.
Cùng với sự phát triển v-ợt bậc của nghành kỹ thuật bán dẫn công suất
lớn, các nguồn một chiều dùng chỉnh l-u có điều khiển ngày càng chiếm -u
thế nhờ kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, hiệu suất và độ tin cậy cao, giá thành hạ,
làm việc không có tiếng ồn... Do vậy hiện nay tất cả nguồn cấp kích từ cho
động cơ ®ång bé ®Ịu cã xu h-íng dïng bé biÕn ®ỉi Thyristor. Xuất phát từ
những vấn đề mà thực tiễn đặt ra trên đây, đ-ợc sự đồng ý của thầy giáo
h-ớng dẫn TS.Phạm Văn Diễn, tôi đà nhận đề tài luận văn tốt nghiệp: Nâng
cao chất l-ợng hệ điều chỉnh kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn .


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

2

Bản luận văn đ-ợc trình bày với các nội dung sau:
Ch-ơng I: Tổng quan về động cơ đồng bộ và ph-ơng pháp khởi động
động cơ đồng bộ.
Ch-ơngII: Mô hình toán học động cơ đồng bộ và quá trình động học
của động cơ khi khởi động.
Ch-ơng III:Thiết kế nguồn kích từ động cơ đồng bộ bằng bộ biến đổi

Thyristor.
Đ-ợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô trong bộ môn Tự động hoá
XNCN Tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự h-ớng dẫn, chỉ bảo
tận tình của thầy giáo TS.Phạm Văn Diễn, cùng với sự nỗ lực của bản thân,
đến nay bản luận văn của tôi cơ bản đà hoàn thành.
Do còn nhiều hạn chế của bản thân nên bản luận văn của tôi không thể
tránh khỏi các sai sót. Tôi rất mong nhận đ-ợc sự góp ý, chỉ bảo thêm của các
thầy cô và các đồng nghiệp để tôi đ-ợc hoàn thiện hơn.

Ngày 06 tháng 12 năm2004
Ng-ời thực hiƯn:

Ngun Xu©n øng


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

3

Luận văn thạc sỹ

Ch-ơng I
Tổng quan về động cơ đồng bộ
và các ph-ơng pháp khởi ®éng ®éng c¬ ®ång bé

1.1. Tỉng quan vỊ ®éng c¬ đồng bộ.
Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất, do cấu tạo đơn
giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Trong đó động cơ
điện đồng bộ 3 pha do có những -u điểm nhất định nên cũng đ-ợc sử dụng
khá rộng rÃi trong công nghiệp, đặc biệt là những hệ truyền động công suất

trung bình và lớn, không có yêu cầu về điều chỉnh tốc độ và có yêu cầu ổn
định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ ba pha th-ờng dùng cho các máy bơm, quạt
gió, máy nén khí, máy nghiền và các hệ thống truyền động của nhà máy
luyện kim
* Ưu điểm: Động cơ đồng bộ ba pha có độ ổn định tốc độ cao, hiệu suất lớn,
độ tin cậy cao.
* Nh-ợc điểm: Có cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có nguồn cung cấp dòng
điện một chiều cho bộ kích từ động cơ khiến cho giá thành cao. Hơn nữa việc
khởi động động cơ đồng bộ ba pha cũng phức tạp hơn và việc điều chỉnh tốc
độ của nó chỉ có thể thực hiện đ-ợc bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp
cho động cơ.
1.1.1. Phân loại và kết cấu của động cơ điện đồng bộ.
Phân loại:
Theo kết cấu có thể chia động cơ đồng bộ ra làm 2 lo¹i:


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

4

Luận văn thạc sỹ

- Động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p =
2).
- Động cơ ®ång bé 3 pha cùc låi thÝch hỵp víi tèc ®é quay thÊp (sè cùc 2p 
4).
KÕt cÊu:
§Ĩ thÊy râ đặc điểm về kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha ta xét riêng kết
cấu của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi và động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn.
1.1.2. Kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn:

Động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn rôto làm bằng thép chất l-ợng cao, đ-ợc đúc
thành khối hình trụ, sau đó đ-ợc gia công và phay rÃnh để lắp đặt cuộn dây
kích từ. Phần không phay rÃnh của rôto hình thành mặt cực từ. Mặt cắt ngang
trục lõi thép rôto nh- trên hình (1-1).

Hình 1-1. Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto.
Động cơ đồng bộ hiện đại cực ẩn th-ờng đ-ợc chế tạo với số cực 2p =
2, tốc độ quay của rôto là 3.000vòng/phút và để hạn chế lực ly tâm, trong
phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo lõi thép rôto, đ-ờng kính D của
rôto không đ-ợc quá (1,1 1,15)m. Để tăng công suất của động cơ đồng bộ
chỉ có thể tăng chiều dài l của rôto. Chiều dài tối đa của rôto vào khoảng


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

5

Luận văn thạc sỹ

6,5m. Dây quấn kích từ đặt trong rÃnh rôto đ-ợc chế tạo từ dây đồng trần tiết
diện hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các
vòng dây của bối dây này đ-ợc cách điện với nhau bằng lớp mêca mỏng. Để
cố định và ép chặt các cuộn dây kích từ trong rÃnh, miệng rÃnh đ-ợc nêm kín
bằng thép không từ tính, các đầu nối (nằm ngoài rÃnh) của dây quấn kích từ
đ-ợc đai chặt bằng các ống thép không từ tính.
Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trụ và nối với hai vành tr-ợt
ở đầu trục thông qua 2 chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều.Stato của
động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn gồm lõi thép, trong đó đặt dây quấn ba pha và
thân máy, nắp máy. Lõi thép stato đ-ợc ép chặt bằng các lá tôn si líc dầy
0,5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách

khoảng (3 6)cm lại có 1 r·nh th«ng giã ngang trơc réng 10mm. Lâi thÐp
stato đ-ợc đặt cố định trong thân máy. Trong các động cơ công suất trung
bình và lớn, thân máy đ-ợc chế tạo theo các kết cấu khung thép, mặt ngoài
đ-ợc bọc bằng các tấm thép dát dầy. Thân máy phải thiết kế và chế tạo để sao
cho trong nó hình thành hệ thống đ-ờng thông gió làm lạnh động cơ đồng bộ.
Nắp máy đ-ợc chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. ở các động cơ công suất
trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định
trên bệ máy.
1.1.3. Kết cấu của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi.
Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi th-ờng sử dụng trong tr-ờng hợp yêu
cầu tốc độ quay thấp,vì vậy khác với động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, đ-ờng
kính r«to D cđa nã cã thĨ lín tíi 15 m trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ
l/D=0.120.2.
Rôto động cơ đồng bộ ba pha cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi
thép chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ,
trên mặt có đặt các cực từ. Các máy lớn, lõi thép đ-ợc hình thành từ các tấm


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

6

thép dày (1 6)mm, đ-ợc dập định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ,
lõi thép này th-ờng không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt vào giá đỡ rôto.
Giá này lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép rôto đ-ợc ghép bằng nhiều
lá thép dày (1 1,5)mm. Việc cố định các cực từ trên lõi thép đ-ợc thực hiện
nhờ đuôi hình T hoặc bằng các bu lông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi
thép rôto (hình 1-2).

1

2

5

4

3

Hình 1.2 Cực từ của động cơ đồng bộ cực lồi
1. Lá thép cực từ 2. Dây quấn kích thích
3. Đuôi hình T 4. Nêm 5. Lõi thép rô to

Dây quấn kích từ bằng đồng tiết diện chữ nhật, đ-ợc quấn theo chiều mỏng
thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mêca hoặc
amiăng. Các cuộn dây sau khi đà đ-ợc gia công đ-ợc luồn vào thân cực.
Dây quấn khởi động đ-ợc đặt trên các đầu cực giống nh- dây quấn kiểu
lồng sóc của động cơ điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

7

Luận văn thạc sỹ

đặt vào các rÃnh của các đầu cực và đ-ợc nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch
(hình 1-3).Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi có cấu tạo stato t-ơng tự nh- của

động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn.

Hình 1-3. Dây quấn mở máy của động cơ
đồng bộ

1.2. Các ph-ơng pháp khởi động động cơ đồng bộ ba pha.

Để khởi động động cơ đồng bộ ba pha th-ờng có các ph-ơng pháp khởi
động nh- : khởi động theo ph-ơng pháp không đồng bộ, khởi động theo
ph-ơng pháp hoà đồng bộ, khởi động bằng nguồn có tần số thay đổi.
1.2.1. Khởi động theo ph-ơng pháp không đồng bộ.
Các động cơ đồng bộ phần lớn đều khởi động theo ph-ơng pháp không
đồng bộ. Thông th-ờng các động cơ đồng bộ cực lồi đều đặt dây quấn khởi
động. Dây quấn khởi động có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rÃnh ở đầu
cực, hai đầu nối với hai vòng ngắn mạch (hình 1-3) và đ-ợc tính toán để khởi
động trực tiếp với điện áp của l-ới điện.
Trong một số động cơ, các mặt cực bằng thép nguyên khối và đ-ợc nối với
nhau ở hai đầu rôto bằng hai vòng ngắn mạch, cũng có thể thay thế cho dây
quấn ngắn mạch dùng trong việc mở máy. ở các l-ới điện có công suất lín cã
thĨ cho phÐp khëi ®éng trùc tiÕp víi ®iƯn áp của l-ới đối với các động cơ đồng
bộ ba pha công suất vài trăm đến hàng nghìn ki lô oát. ở những l-ới điện
không cho phép khởi động trực tiếp hoặc khi khởi động động cơ đồng bộ công


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

8

Luận văn thạc sỹ

suất lớn, ta có thể khởi động gián tiếp bằng cách đóng stato của động cơ đồng
bộ vào l-ới điện qua điện kháng phụ hoặc biến áp tự ngẫu để hạn chế dòng
khởi động. Đối với động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, việc mở máy theo ph-ơng
pháp không đồng bộ khó khăn hơn, vì dòng điện cảm ứng ở mặt ngoài của
rôto nguyên khối sẽ gây phát nóng cục bộ đáng kể. Trong tr-ờng hợp đó, để
khởi động đ-ợc dễ dàng, cần hạ điện áp đặt vào đầu cực động cơ khi khởi
động bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng.
Quá trình khởi động động cơ đồng bộ bằng ph-ơng pháp không đồng bộ có
thể chia làm hai giai đoạn.
Lúc đầu việc khởi động đ-ợc thực hiện với ikt = 0, dây quấn kích từ đ-ợc
nối tắt qua điện trở dập từ Rdt nh- trên hình (1-4). Khi đóng cầu dao hoặc máy
cắt với nguồn điện, do tác động của mômen không đồng bộ rôto sẽ quay và
tăng tốc đến gần tốc độ đồng bộ n1 của từ tr-ờng quay. Trong giai đoạn này,
việc nối dây quấn kích từ với điện trở có trị số bằng (10 12) lần điện trở rt
của dây quấn kích từ là cần thiết, vì nếu để dây quấn này hở mạch sẽ có điện
áp cao làm hỏng cách điện của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy thì rôto đang
đứng yên còn tõ tr-êng quay cđa stato quay víi tèc ®é ®ång bé, do vËy tõ
tr-êng quay cđa stato qt qua r«to víi tèc ®é ®ång bé.


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

9

k2
k1
Ukt
Rdt

Hình: 1.4. Sơ đồ mạch kích từ của động cơ đồng bộ lúc khởi động

Nếu đem nối ngắn mạch dây quấn kích từ thì sẽ tạo thành một pha có điện
trở nhỏ ở rôto và sinh ra mômen cảm lớn khiến cho tốc độ quay của rôto
không thể v-ợt quá tốc độ bằng một nửa tốc độ đồng bộ. Điều này có thể giải
thích nh- sau:
Dòng điện có tần số f2 = Sf1 trong dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch sẽ
sinh ra từ tr-ờng đập mạnh. Từ tr-ờng này có thể phân tích thành hai từ tr-ờng
quay thuận và ng-ợc với chiều quay của rôto với tốc độ t-ơng đối so với rôto
n1-n, trong đó n1 là tốc độ từ tr-ờng quay của stato và n là tốc độ quay của rôto
từ tr-ờng quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh:
nth =n + (n1 n) = n1
Nghĩa là quay đồng bộ với từ tr-ờng quay của stato. T¸c dơng cđa nã
víi tõ tr-êng quay cđa stato tạo nên mômen không đồng bộ và hỗ trợ với
mômen không đồng bộ do dây quấn mở máy sinh ra và có dạng nh- đ-ờng 1
hình1.5


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

10

1

M

3

A

1.0

2

0.5

MC
0

S

Hình 1.5.1.5.
Đ-ờng
cong cong
mô men
độngcủa
cơ đồng
HìNH
Đừơng
môcủa
men
độngbộcơ
khởi
độngbộkhởi
không đồng
với dâyđồng
quấn kích
từ bịdây

nối
đồng
độngbộkhông
bộ với
ngắn mạch
quấn kích từ bị nối ngắn mạch

Từ tr-ờng quay ng-ợc có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh:
nng = n (n1 – n) = 2n – n1 = 2n1 (1 – s) – n1 = n1 (1 – 2s) vµ sinh ra
trong dây quấn phần tĩnh dòng điện tần số:
f2 = f1 (1 – 2s)
Nh- vËy khi 0,5 < S < 1, nghĩa là tốc độ quay của rôto n < n 1/2 thì từ
tr-ờng quay ng-ợc quay so với dây quấn phần tĩnh theo chiều ng-ợc so với
chiều quay của rôto. Tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f sẽ sinh
ra mômen phụ cùng dấu và hỗ trợ với mômen không đồng bộ do từ tr-ờng
quay thuận tác dụng với dây quấn khởi động (đ-ờng 2 trên hình 1-5).
Khi S = 0,5 (tức là n = n1/2), từ tr-ờng quay ng-ợc đứng yên so với dây
quấn phần tĩnh, mômen phụ bằng 0.
Khi 0 < S < 0,5 (tøc n > n1/2) th× tõ tr-êng quay ng-ợc sẽ quay cùng chiều
với chiều quay rôto, tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f lúc đó
sinh ra mômen phụ trái dấu với mômen không ®ång bé do tõ tr-êng quay
thn, do ®ã t¸c dơng nh- m«men h·m.


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

11

Luận văn thạc sỹ

Kết quả là khi dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đ-ờng biểu diễn mômen
của động cơ trong quá trình khởi động tổng của đ-ờng 1 và đ-ờng 2 có tác
dụng nh- đ-ờng 3 trên hình 1-5. Rõ ràng khi mô men cản MC trên trục động
cơ đủ lớn thì rôto sẽ làm việc ở điểm A ứng với tốc độ n n1/2 và không thể
đạt đ-ợc đến tốc độ ®ång bé.
Khi r«to ®· quay ®Õn tèc ®é n  n1, có thể tiến hành giai đoạn thứ hai của
quá trình khởi động.
Đem nối dây quấn kích từ với nguồn ®iƯn ¸p mét chiỊu cđa ngn ®iƯn
kÝch thÝch. Lóc ®ã ngoài mômen không đồng bộ tỷ lệ với hệ số tr-ợt S và
mômen gia tốc tỷ lệ với ds/dt sẽ có mômen đồng bộ phụ thuộc vào góc cùng
tác dụng ( là góc lệch vectơ S.đ.đ cảm ứng trong dây quấn stato với điện áp
pha đặt vào stato). Do rôto ch-a quay đồng bộ nên góc luôn thay đổi. Khi 0
< < 1800 thì mômen đồng bộ sẽ cộng tác dụng với mômen không đồng bộ
làm tăng thêm tốc độ quay của rôto và nh- vậy rôto sẽ đ-ợc kéo vào tốc độ
đồng bộ sau một quá trình dao động.
Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rôto đ-ợc đ-a vào tới độ đồng bộ
một cách thuận lợi, hệ số tr-ợt S ở cuối giai đoạn thứ nhất lúc ch-a có dòng
điện kích thích cần phù hợp víi ®iỊu kiƯn sau:
S  0,04

Km Pdm itdb
. 2 .
GD2 ndm
itdm

Trong đó:
Km - là năng lực quá tải ở chế độ đồng bộ với dòng điện kích từ định mức itđm.
Pđm - là công suất định mức, KW.
itđb - là dòng điện kích từ tại thời điểm đ-a động cơ vào đồng bộ.

Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

12

Luận văn thạc sỹ

GD2 - là mô men động l-ợng của động cơ và máy công tác nối cùng trục
với nó, [KG.m2].
Ưu nh-ợc điểm của ph-ơng pháp này là:
-Ưu điểm: Hệ truyền động không cồng kềnh, không phức tạp vì không phải
dùng động cơ sơ cấp để kéo vào đồng bộ.
-Nh-ợc điểm: Chế tạo rôto phức tạp hơn, không áp dụng đ-ợc cho những động
cơ có tốc độ quay lớn
1.2.2. Khởi động theo ph-ơng pháp hoà đồng bộ.
Các điều kiện hoà đồng bộ đối với động cơ đồng bộ hoàn toàn giống nhcủa máy phát điện đồng bộ. Tr-ờng hợp này động cơ đồng bộ đ-ợc quay bởi
động cơ sơ cấp, khi tốc độ đạt tíi (95  98)% tèc ®é ®ång bé, ng-êi ta tiến
hành cấp điện cho stato và cấp điện cho cuộn kích từ của rôto, đồng thời ngắt
động cơ sơ cấp ra khỏi hệ truyền động của động cơ đồng bộ. Sau một khoảng
thời gian quá độ, động cơ sẽ quay ®ång bé víi tèc ®é cđa tõ tr-êng quay stato.
¦u nh-ợc điểm của ph-ơng pháp này là:
- Ưu điểm: Sử dụng cho các loại động cơ đồng bộ.
- Nh-ợc điểm: Hệ truyền động cồng kềnh phức tạp hơn vì phải dùng động
cơ sơ cấp để kéo và đồng bộ.
1.3. Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ.

Thông th-ờng ĐCĐB đ-ợc cấu tạo với hai loại lồng sóc khởi động,
t-ơng ứng với nó cho hai đặc tính khác nhau 1 và 2 nh- trên hình 1-6a. Đ-ờng
thứ 2 cho mômen khởi động t-ơng đối lớn do điện trở tác dụng của lồng sóc
lớn hơn, trong khi đó đ-ờng thứ nhất có mô men nhỏ hơn. Tuy nhiên, đặc tính

2 lại có giá trị độ tr-ợt ứng với mômen tĩnh định mức trên trục động cơ lớn


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

13

hơn so với đ-ờng 1, Sv2>Sv1, điều này gây khó khăn cho việc đ-a động cơ vào
đồng bộ.



0
1

Sv2

0

2
M

M
Mdm Mk1

Mk2

Mdm

Mmax

Hình 1-6: Đặc tính cơ của ĐCĐB
a) khi khởi động b) khi làm việc xác lập
Điện trở tác dụng của lồng sóc lớn th-ờng dùng để khởi động các tải có
mô men cản tĩnh trên trục máy lớn, ví dụ máy cán khi ở tốc độ thấp lực ma sát
t-ơng đối lớn do vậy cần phải có mô men khởi động lớn. Th-ờng thì đối với
ĐCĐB mô men cản tĩnh khi khởi động không tải bằng khoảng ( 0.30.4 )Mđm.
Khi đó độ tr-ợt sv=0.02 0.05, do vậy động cơ vào đồng bộ một cách dễ
dàng. Đối với những phụ tải có mô men cản tĩnh tăng dần trong quá trình khởi
động, nh- loại phụ tải có đặc tính quạt gió, thì sử dụng những động cơ có đặc
tính 1 là hợp lý hơn.
Đặc tính cơ của ĐCĐB nh- trên (hình 1-6b) là một đ-ờng thẳng song
song với trục hoành, khi phụ tải trên trục động cơ thay đổi trong khoảng (0
Mmax) thì tốc độ của nó đ-ợc giữ không đổi. Do đó, môđul độ cứng đặc tính
cơ của ĐCĐB ở mọi điểm đều bằng vô cùng. Tuy vậy tốc độ tức thời của Roto
động cơ có thể sai khác chút ít so với tốc độ đồng bộ 0 (s), ví dụ nếu mô
men cản trên trục động cơ tăng, Roto sẽ bị tụt lại phía sau từ tr-ờng Stato và


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

14

khi đó góc giữa vecto điện áp l-ới (hay điện áp đầu ra của biến tần) và sức
điện động Stato do từ thông sinh ra tăng lên.
a) Đồ thị vector đơn giản và đặc tính góc của ĐCĐB

Mô men của ĐCĐB có quan hệ chặt chẽ với góc pha giữa hai vectơ sức điện
động và điện áp đặt lên một pha của động cơ (góc ). Chính vì thế đặc tính
C

jIXs

U1sin

U1

A
B
E
I1

Hình 1-7:Đồ thị vector đơn giản
góc M() của ĐCĐB là một vấn đề rất quan trọng trong khi phân tích quá
trình làm việc của động cơ. Để xây dựng đặc tính góc của ĐCĐB ta xuất phát
từ đồ thị vector đơn giản nh- trên hình 1-7.
Trong đó ta có các ký hiệu nh- sau:
I : Vector dòng điện pha Stator.

E , U1 , : Vectơ sức điện động pha cuộn dây Stator và điện áp pha của điện áp

l-ới hay điện áp ở đầu ra của biến tần.
Xs: Điện kháng pha Stator.
: Góc lệch pha giữa dòng điện Stator và điện áp l-ới (hoặc điện áp đầu ra của
biến tần).
: Góc lệch trong giữa sức điện động Stator và điện áp l-ới (hoặc điện áp đầu
ra của biến tần).

Từ ph-ơng trình công suất của động cơ ( ở đây ta giả thiết điện trở của
của cuộn dây Stator là rất nhỏ và có thể bỏ qua). Khi đó toàn bộ công suất tác
dụng nhận đ-ợc từ l-ới (hoặc đầu ra của biến tần) đ-ợc chuyển vào Rotor.


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

15

Pdt P1  3U1I cos
P
3U I cos
M  dt  1

0

(1-1)
(1-2)

0

P®t, P1: lần l-ợt là công suất điện từ và công suất động cơ nhận từ l-ới.
M: Mô men trên trục động cơ.
Từ đồ thị vector ở trên hình 1-7 ta cã:
U1cos =Ecos( - )

(1-3)

Tõ tam gi¸c ABC ta cã:
cos(   ) 

U1 sin
IX s

(1-4)

Tõ ®ã ta cã:
U1 cos 

EU1
sin
IX s

(1-5)

thay (1.5) vào (1.2) ta đ-ợc:
M

3EU1
sin M max sin
0 X s

(1-6)

Từ quan hệ (1.6) ta có đ-ợc đồ thị đặc tính góc nh- trên hình (1-8).
Thông th-ờng động cơ chỉ làm việc ổn định với những giá trị góc nhỏ,
góc lệch pha quan trọng và đáng chú ý nhất là góc lệch pha định mức đm, góc
lệch này đặc tr-ng cho khả năng làm việc lâu dài của động cơ theo điều kiện

phát nóng và vì vậy mô men t-ơng ứng lúc đó là mô men định mức. Giá trị đm
đối với ĐCĐB th-ờng nằm trong khoảng 250300. Đồ thị hình 1-8 cho ta thấy
giá trị mômen lớn nhất của ĐCĐB ứng với góc =/2 thì động cơ sẽ làm việc
không ổn định và mất tính chất đồng bộ. Khả năng quá tải của ĐCĐB đ-ợc
định nghĩa là tỷ số giữa mô men cực đại và mô men định mức:
=Mmax/Mđm


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

16

Giá trị cđa  th-êng n»m trong kho¶ng tõ 23 tïy theo nhà sản xuất chế tạo
động cơ.
M
Mmax
Mdm


d

/2

Hình 1-8: Đồ thị đặc tÝnh gãc §C§B



Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

17

Luận văn thạc sỹ

Ch-ơng II
mô tả toán học động cơ đồng bộ
và quá trình động học của động cơ khi khởi động
Nh- chúng ta đà biết động cơ đồng bộ là một đối t-ợng phi tuyến chứa

rất nhiều tham số. Để điều khiển đ-ợc động cơ đồng bộ tr-ớc hết ta phải có
mô tả toán học của nó chính xác đến mức tối đa. Trong thực tiễn kỹ thuật còn
có các ph-ơng pháp không cần đến mô hình ví dụ ph-ơng pháp điều chỉnh
trên cơ sở công nghệ tập mờ, tuy nhiên việc áp dụng cho tr-ờng hợp động cơ
điện xoay chiều ba pha vẫn còn ch-a chín muồi.
Với mục đích chính là nhằm xây dựng các thuật toán điều khiển, chứ
không nhằm mô tả chính xác về mặt toán học của động cơ, điều đó dẫn đến
các điều kiện giả thiết trong khi lập mô hình. Các điều kiện đó một mặt đơn
giản hoá mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này, mặt khác chúng gây nên sai
lệch nhất định, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối t-ợng và mô hình. Về
ph-ơng diện động, động cơ đồng bộ đ-ợc mô tả bằng hệ ph-ơng trình vi phân
bậc cao. Cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, các mạch
từ móc vòng vì vậy để đơn giản trong việc mô tả toán học xây dựng mô hình
ta giả thiết:
Các cuộn dây Stator đ-ợc bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.
. Các tổn hao sắt tõ vµ sù b·o hoµ tõ cã thĨ bá qua.
. Dòng từ hoá và từ tr-ờng đ-ợc phân bố hình Sin trên bề mặt khe từ.
. Các giá trị điện trở và điện cảm đ-ợc coi là không đổi.

Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

18

Luận văn thạc sỹ

2.1. Xây dựng mô hình véctơ không gian của máy điện
xoay chiều có khe hở đều.

Để đơn giản và có hiệu quả mà lại mô tả đ-ợc chính xác các quá trình điện từ
của động cơ điện xoay chiều thì trong máy điện ba pha th-ờng dùng cách
chuyển các giá trị tức thời của điện áp, dòng điện, từ thôngthành các vector
không gian. Ph-ơng pháp đó là ph-ơng pháp biến đổi hệ ba pha thành hệ đẳng
trị hai pha.
2.1.1. Vectơ không gian của sức từ động stato và dòng điện roto.
Động cơ điện xoay chiều ba pha dù là động cơ không ®ång bé hay ®éng
c¬ ®ång bé ®Ịu cã ba cn dây stato với dòng điện ba pha, bố trí không gian
nh- hình (2-1).

isB
isA

isC

Hình 2-1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stato của động cơ điện xoay chiều ba
pha
Với động cơ ®ång bé ba pha cã 3 dßng ®iƯn isA, isB, isC chảy từ l-ới vào
động cơ. Ba dòng điện đó thoả mÃn ph-ơng trình.
isA(t) + isB(t) + isC(t) = 0

(2-1)

Trong đó từng dòng điện ba pha thoả mÃn các công thức sau đây:


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

19

isA (t )  is . cos( s t )

0
isB (t )  is . cos( s t  120 )
i (t )  i . cos( t  2400 )
s
s
 sC

(2-2)

Trên mặt phẳng cắt ngang ta đ-ợc ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200.
Trên mặt phẳng này ta đặt một hệ toạ độ phức với trục thực là trục cuộn dây U
của động cơ, ta sẽ xây dựng đ-ợc véc tơ không gian sau:
is (t )

0
0
2
isu (t ) isv (t ).e j120  isw (t ).e j 240 is .e jr
3

(2-3)

Theo công thức (2-3), véctơ is(t) là một véctơ có mô đun không đổi trên mặt
phẳng phức, quay với tốc độ góc s = 2fs và tạo với trục thực một góc = st
(fs- tần sốmạch stato).
Việc xây dựng véctơ is(t) nh- hình 2-2.
Im

2/3.iC.ej240

ej120
is(t)

B

Re
C
ej240

A

2/3iA

2/3.iB.ej120

Hình 2-2. Thiết lập véctơ không gian từ các đại l-ợng
Ta thấy cácpha.
dòng điện thành phần của từng pha là hình chiếu của is(t) lên các
trục cuộn dây t-ơng ứng. Đó là ta xây dựng véctơ không gian cho dòng stato
is, còn các đại l-ợng ba pha khác nh- ir, us, ur, s, r cũng t-ơng tự. Ta đặt tên
hệ trên là (, ), ta chiếu vécơ is(t) lên hai trục đó đ-ợc is và is nh- hình 2-3.


Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

20

j
isC
is

B
isB

A

isA=is

C

Hình 2-3. Biểu diễn dòng điện stato d-ới dạng véctơ không gian

với các phần tử is và is thuộc hệ toạ độ stato cố định.
Khi đó is và is là hai dòng hình sin t-ơng ứng với động cơ có 2 cuộn dây
cố định và . Nh- vậy ta đà chuyển từ động cơ 3 cuộn dây về 2 cuộn dây.

Với trung tính của ba cuộn dây stato không nối kết, trục trùng với cuộn dây
pha A nên:
is = isA
is

1
(isA 2isB )
3

(2-4a)
(2-4b)

Nếu tính cho các đại l-ợng khác t-¬ng tù ta cã:
is = is + jis

(2-5a)

us = us + jus

(2-5b)

ir = ir + jir

(2-5c)

Tr-ờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ

21

r = r + jr

(2-5d)

s = s + js

(2-5e)

2.1.2. PhÐp chun hƯ toạ độ của véctơ không gian.
Từ hệ toạ độ (, ) của các đại l-ợng, ta sẽ quy đổi sang hệ toạ độ bất kỳ
(x, y) có cùng gốc với (, ) và lệch đi một góc v* so với hệ (, ) nh- hình 24.



y

*=d*/dt
V



X
X

y
*
0





Hình 2-4. Chuyển hệ toạ độ cho véctơ không gian bất kỳ V.

Giả sử véctơ V bất kỳ ta có:
+ ở hệ toạ độ [0,, ]

V =  + j

(2-6)

+ ë hÖ [0,x, y]

Vxy = x + jy

(2-7)

Theo h×nh (2-4) ta cã:
x = .cosv* + .sin v*

(2-8a)

y = -.sinv* + cosv*

(2-8b)

Thay (2-8a) vµ (2-8b) vµo (2-7) ta cã:
Vxy = (cosv* + sinv*) + j(cosv* - sinv*)

(2-9a)