Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

..

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

PHẠM MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – Năm 2016


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

PHẠM MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS.TẠ CAO MINH

Hà Nội - 2016


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu luận văn của bản thân tôi đƣợc
thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Tạ Cao Minh. Kết quả nghiên cứu trong
luận văn là hồn tồn trung thực.
Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm với nội dung của luận văn.

Hà Nội, ngày

tháng 10 năm 2016

Học viên thực hiện

Phạm Minh Tuấn

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Tạ Cao Minh, ngƣời thầy rất gần gũi đã đề
ra phƣơng hƣớng, truyền thụ những kinh nghiệm chuyên môn với tất cả niềm đam
mê nghiên cứu khoa học, hết lịng chỉ dạy, tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ tơi
hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học.

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy, cô Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã
truyền thụ cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt q trình học tập và
nghiên cứu đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo –
Trƣờng Cao đẳng nghề Dầu khí, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong q
trình cơng tác, tham gia lớp cao học cũng nhƣ thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Xin cám ơn các đồng nghiệp và bạn bè cũng nhƣ ngƣời thân trong gia đình tơi
đã ln động viên, khuyến khích tơi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài
để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Vũng tàu ,ngày

tháng 10 năm 2016

Học viên thực hiện

Phạm Minh Tuấn

2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ 2
MỤC LỤC .............................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................................. 7
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................ 9

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ................................ 11
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) ...................................... 11
1.2.CẤU TẠO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................................................ 12
1.2.1.Phần tĩnh (stator) .................................................................................................. 13
1.2.2. Phần quay (rotor) ................................................................................................ 14
1. 3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ. .............................................. 16
1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐCKĐB. ........................................................................................ 16
1.5. ƢU, NHƢỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐCKĐB ............................................................ 18
1.5.1. Ưu điểm................................................................................................................ 18
1.5.2. Nhược điểm .......................................................................................................... 18
1.5.3. Ứng dụng của ĐCKĐB. ....................................................................................... 18
1.6.CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB. .................................................................... 19
1.6.1. Đi u khiển v hư ng động c kh ng đ ng ộ (sca ar) ....................................... 19
1.6.2. Phư ng pháp đi u chế véc t kh ng gian ............................................................ 21
1.6.3. Phư ng pháp đi u khiển véc t ........................................................................... 22
CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ...................... 24
2.1. XÂY DỰNG VECTƠ KHÔNG GIAN. .................................................................................. 24
2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HỆ TRỤC TỌA ĐỘ PARK VÀ CLARKE .............................................. 27
2.3. HỆ PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ .................................................................... 32

3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ........................................................................................................ 40
3.1.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ ................................................................................... 40
3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ ĐCKĐB. ........................................................ 42
3.2.1 Phư ng pháp đi u khiển véc t gián tiếp. ............................................................ 42
3.2.1 Phư ng pháp đi u khiển véc t trực tiếp. ............................................................. 46

CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN HỆ TRUYỀN
ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ........................................................................... 47
4.1 ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ................................................................... 47
a.

Sự thay đổi của điện trở Rotor............................................................................... 47

b.

Sự thay đổi của điện cảm tản Rotor....................................................................... 49

c.

Sự thay đổi của điện trở Stator .............................................................................. 50

d.

Sự thay đổi của điện cảm stator ............................................................................ 51

e.

Sự thay đổi của hỗ cảm .......................................................................................... 51

4.2 ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ TRONG ƢỚC LƢỢNG GÓC TỪ TRƢỜNG........................ 51
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................. 53
5.1. TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CẦN THIẾT. ........................................................................ 53
5.2. MƠ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK ............ 56
5.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................................... 60
KẾT LUẬN........................................................................................................................... 67
HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 67

PHỤ LỤC ............................................................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 69

4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Phân loại động c điện sử dụng trong công nghiệp ........................................ 11
Hình 1.1. Cấu tạo của động c kh ng đ ng bộ ............................................................... 13
Hình 1.2. Cấu tạo stator:1 – Lõi sắt, 2 – Lá thép kỹ thuật điện, 3 – Dây quấn, 4 rãnh .. 13
Hình 1.3. a – Rotor dây quấn biến trở: 1 – Lõi thé, 2 – Cuộn dây 1, 3 – Cuộn dây 2, 4 –
Cuộn dây 3, 5 – Vành trượt, 6 – Chuổi than, 7 – Trục, 8 – Biến trở, .............................. 14
b – Rotor dây quấn v i các vành trượt ............................................................................ 14
Hình 1.4: a - Cấu tạo rotor l ng sóc: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 –
Trục rotor, b – Dây quấn của rotor ................................................................................. 15
Hình 1. 5 a - Cấu tạo rotor l ng sóc kép: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4
– Trục rotor, b – Dây quấn của rotor l ng sóc kép ......................................................... 15
Hình 1.6. Mạch điện tư ng đư ng 1 pha của ĐCKĐB ................................................... 17
Hình 1. 7. Tổn thất cơng suất do điện trở rotor gây ra ................................................... 17
Hình 1. 8. Mơ hình chung của hệ thống đi u khiển tốc độ v hư ng .............................. 20
Hình 1. 10. Trạng thái đóng ngắt của bộ đi u khiển véc t kh ng gian ......................... 22
Hình 2. 1. S đ cuộn dây và dịng điện của ĐCKĐB ..................................................... 24
Hình 2.2. Cấu trúc của véc t trong kh ng gian ............................................................. 26
Hình 2.3. Các hệ trục tọa độ tham chiếu ......................................................................... 27
Hình 2.4. Biểu diễn dòng stator dư i dạng véc t kh ng gian ........................................ 28
Hình 2.5. Véc t kh ng gian trong hệ trục tọa độ cố định

................................... 29

Hình 2.6. Công thức chuyển hệ trục tọa độ - Clarke ....................................................... 29
Hình 2.7. Cơng thức chuyển tọa độ - Inverse Clarke ...................................................... 30
Hình 2.8. Cơng thức chuyển tọa độ -Park ....................................................................... 31
Hình 2.9. Cơng thức chuyển tọa độ - Inverse Park ......................................................... 31
Hình 2.10. M hình ĐCKĐB dư i hệ trục tọa độ    ................................................ 36
Hình 2. 11. S đ véc t của ĐCKĐB trên hệ các hệ trục tọa độ ................................... 37
Hình 2. 12. M hình ĐCKĐB 3 pha trên hệ trục tọa độ dq............................................. 38
Hình 3. 1. Nguyên ý đi u khiển véc t ............................................................................ 40
Hình 3. 2. (a) Đi u khiển động c DC, ( ) Đi u khiển vecto động c KĐB ................... 41

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 3. 3. S đ khối của phư ng pháp đi u khiển véc t .............................................. 42
Hình 3. 4 Đ thị góc pha của phư ng pháp đi u khiển véc t gián tiếp ......................... 43
Hình 3. 5 S đ tính góc quay  e theo phư ng pháp đi u khiển véct gián tiếp ............ 45
Hình 3. 6. S đ nguyên ý đi u khiển véc t gián tiếp.................................................... 45
Hình 3. 7. S đ nguyên ý đi u khiển véc t trực tiếp .................................................... 46
Hình 4. 1. Mạch điện tư ng đư ng của động c KĐB .................................................... 47
Hình 4. 3. Cấu tạo các thanh dẫn của rotor .................................................................... 49
Hình 4. 4. Phân bố từ thơng tản trên một rãnh kín của rotor l ng sóc ........................... 49
Hình 4. 5. Cấu trúc rãnh của rotor àm cho điện cảm tản rotor ít bị thay đổi. a - rãnh
nửa kín, b - rãnh hở ......................................................................................................... 50
Hình 4. 6. Ảnh hưởng của điện cảm tản t i dịng điện Rotor .......................................... 50
Hình 4. 7. Sự thay đổi của hỗ cảm theo iên độ dịng kích từ ......................................... 51
Hình 5. 1 Mơ hình hệ thống truy n động trên Matlab ..................................................... 56
Hình 5. 2 M hình ĐCKĐB xây dựng trên hệ trục tọa độ alpha – beta .......................... 57
Hình 5. 3 Khối tính góc quay của từ trường (  e ) ............................................................ 57
Hình 5. 4 Khối chuyển hệ trục tọa độ alpha – beta sang d - q ........................................ 58

Hình 5. 5 Khối đi u khiển dịng isq .................................................................................. 58
Hình 5. 6 Khối đo ường dịng điện stator ....................................................................... 59
Hình 5. 7. Khối nghịch ưu điện áp.................................................................................. 59
Hình 5. 8. Kết quả mơ phỏng khởi động và đóng tải cho động c .................................. 62
khi điện trở là hằng số ..................................................................................................... 63
Hình 5.9. Kết quả mơ phỏng khởi động và đóng tải cho động c khi điện trở rotor tăng
lên tuyến tính (tăng 2 ần) trong thời gian 7s .................................................................. 66

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

pp

Số đơi cực từ

is

Véc tơ dịng stator

ir

Véc tơ dịng điện rotor

ia , ib , ic

Dòng điện trên các pha abc

isd , isq

Thành phần dòng Stator trục d, trục q

isα , isβ

Thành phần dịng Stator trục α, trục β

ML

Mơ men tải

k

Chỉ số của hệ tọa độ nào đó (abc, dq hoặc α - β )

Me

Mô men điện từ

Me _ st

Mô men khởi động

Us

Véc tơ điện áp stator

Ur

Véc tơ điện áp rotor

T

Nhiệt độ (đơn vị là o C )

Rr 75o C

Điện trở tại thời điểm 75 o C

F

Lực từ

e

Góc của từ trƣờng

Pm

Cơng suất của động cơ

B

Hệ số ma sát nhớt



Điện trở suất của vật liệu

U sd ,U sq

Thành phần điện áp Stator trục d, trục q

U s ,U s

Thành phần điện áp Stator trục α, trục β

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

r

Vận tốc góc của rotor.

n

Tốc độ động cơ (vòng/phút)

n1

Tốc độ đồng bộ (vòng/phút)

sl

Tốc độ trƣợt của trục rotor

e

Tốc độ của từ trƣờng

ψs

Véc tơ từ thông stator

ψr

Véc tơ từ thông rotor

ψsd , ψsq

Thành phần trục d , q của từ thông stator

ψrd , ψrq

Thành phần trục d , q của từ thông rotor

ψrα , ψrβ

Thành phần trục α, β của từ thông rotor

Lm

Hỗ cảm giữa stator và rotor

Lr , Ls

Điện cảm stator và điện cảm rotor

L s , L r

Điện cảm tản stator, rotor

L2m
  1
Ls Lr

Hệ số tản từ

 r  RLrr

Hằng số thời gian rotor

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
LỜI NĨI ĐẦU
Động cơ khơng đồng bộ ngày nay đƣợc sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp vì
nó có nhiều ƣu điểm nổi bật nhƣ giá thành rẻ, chế tạo dễ dàng, vận hành tin cậy và
kích thƣớc gọn nhẹ. Tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là tính phi tuyến mạnh do đó trƣớc
những năm của thập niên 80 ngƣời ta rất khó có thể điều khiển với các phƣơng pháp
điều khiển đơn giản. Chính vì vậy ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại động cơ cơ một
chiều thay vì động cơ điện xoay chiều. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các
lĩnh vực của điện tử, điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý cùng với những kỹ thuật
điều khiển hiện đại đã giải quyết đƣợc những nhƣợc điểm nói trên, đƣa động cơ
không đồng bộ trở thành động cơ đƣợc sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp.
Một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến đƣợc biết đến là phƣơng pháp

điều khiển véc tơ. Khi đó động cơ khơng đồng bộ có thể đƣợc điều khiển nhƣ động
cơ một chiều. Mơ men điện từ có thể đƣợc điều khiển bằng cách điều khiển riêng rẽ
hai thành phần: thành phần tạo từ thông và thành phần tạo mô men. Điều này cũng
tƣơng tự nhƣ điều khiển riêng rẽ mạch điện phần ứng và mạch kích từ của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập. Bằng phƣơng pháp điều khiển véc tơ ngƣời ta có thể
xây dựng đƣợc một hệ truyền động điện có chất lƣợng cao . Kỹ thuật điều khiển véc
tơ đƣợc chia làm 2 loại là trực tiếp hay là phƣơng pháp điều khiển phản hồi định
hƣớng trƣờng (Direct/feedback field oriented control method – DFOC) và phƣơng
pháp điều khiển véc tơ gián tiếp hay chính là phƣơng pháp điều khiển có bù nhiễu
(Indirect/ feed forward method – IFOC). Cả hai phƣơng pháp này đều phụ thuộc vào
việc đi xác định tức thời vị trí góc từ thơng rotor trong các pha của dịng điện hay là
góc từ trƣờng  e  . Trong luận văn này ngoài việc giới thiệu về phƣơng pháp điều
khiển ĐCKĐB theo phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp, đề tài còn đi sâu vào
phân tích đánh giá ảnh hƣởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động theo
phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp. Đặc biệt là thông số điện trở rotor hay hằng
số thời gian mạch rotor.
Nội dung cơ bản của luận văn gồm 5 chƣơng:

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chư ng 1: Tổng quan động v động c kh ng đ ng bộ
Chư ng 2: M hình hóa động c kh ng đ ng bộ
Chư ng 3: Đi u khiển ĐCKĐB ằng phư ng pháp véc-t gián tiếp
Chư ng 4: Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động c đến hệ truy n động
Chư ng 5: M phỏng và đánh giá kết quả
Sau một thời gian nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ
chỉ bảo tận tình của PGS. TS. Tạ Cao Minh em đã thu đƣợc một số kết quả cụ thể
trong việc phân tích đánh giá ảnh hƣởng của các thông số động cơ đến hệ truyền

động thông qua phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp. Ngoài ra em cũng đã sử
dụng phần mềm Matlab/Simulink nhƣ một công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc mơ phỏng
và phân tích các kết quả đƣa ra trong đề tài .Tuy nhiên do thời gian có hạn, kiến thức
còn hạn chế nên luận văn của em còn nhiều điều thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc
sự đóng góp của các thầy cơ giáo cùng các bạn bè đồng nghiệp để luận văn của em
đƣợc hoàn thiện hơn.

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB)
ĐCKĐB là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây
quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lƣới điện xoay chiều còn dây quấn còn lại (dây
quấn thứ cấp) đƣợc nối tắt lại hay đƣợc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong cuộn dây
thứ cấp đƣợc sinh ra nhờ cảm ứng điện từ, nó có tần số là hàm của tốc độ rotor.
Các máy điện không đồng bộ rất ít khi đƣợc sử dụng làm máy phát, chủ yếu
đƣợc dùng làm động cơ và là loại thông dụng nhất hiện nay. So với động cơ một chiều
nó có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ, vận hành tin cậy, có thể
dùng trực tiếp lƣới điện 3 pha nên có thể khơng cần thiết bị biến đổi kèm theo.
Phân loại: Động cơ điện đƣợc chia làm nhiều loại nhƣ hình 1.1 dƣới đây
Động cơ điện

Động cơ điện xoay
chiều

Động cơ điện 1
chiều

Động cơ kích
từ độc lập
Động cơ khơng đồng
bộ

Động cơ rotor
lồng sóc

Động cơ đồng bộ

Động cơ đặc biệt

Động cơ kích
từ song song

Động cơ kích
từ nối tiếp

Động cơ rotor
dây quấn

Hình 1. 1 Phân loại động cơ điện sử dụng trong công nghiệp

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Về mặt cấu tạo, ĐCKĐB đƣợc chia thành 2 loại:
+ ĐCKĐB rotor dây quấn.
+ ĐCKĐB rotor lồng sóc.

Nhƣợc điểm chính của ĐCKĐB là đặc tính mở máy xấu và việc khống chế
quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Tuy nhiên trong những
năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử
lý, điện tử, tin học,…đã làm tăng khả năng sử dụng ĐCKĐB ngay cả những trƣờng
hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện dải rộng với độ chính xác cao
mà trong các hệ truyền động trƣớc đây vẫn thƣờng phải sử dụng động cơ một chiều.
Trong tất cả các loại máy điện xoay chiều thì ĐCKĐB đặc biệt là động cơ rotor
lồng sóc đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do kết cấu đơn giản, làm việc
chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, kích thƣớc gọn nhẹ, làm việc với dải cơng suất
rộng từ vài mã lực đến hàng nghìn kW. Ngồi ra, ĐCKĐB dùng trực tiếp lƣới điện xoay
chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Trong công nghiệp thƣờng dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực
cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp
nhẹ, trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió,…
Trong nơng nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm.
Trong đời sống hàng ngày, ĐCKĐB dùng làm quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong
tủ lạnh,…
Tóm lại, cùng với sự phát triển vƣợt bậc khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh
vực điều khiển, tự động hóa thì phạm vi ứng dụng của ĐCKĐB ngày càng rộng rãi.
Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ cũng có những nhƣợc điểm nhƣ là hệ số
cơng suất của máy thƣờng khơng cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ và khống chế các
q trình q độ khó khăn nên ứng dụng ĐCKĐB cũng có phần bị hạn chế.
1.2.Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Giống nhƣ các máy điện quay khác, ĐCKĐB gồm hai bộ phận chính đó là:
stator và rotor. Hình 1.1 mơ tả cấu tạo của một động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor
lồng sóc nhƣ sau.

12

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.1. Cấu tạo của động c kh ng đ ng ộ

1.2.1.Phần tĩnh (stator)
Phần tĩnh hay cịn gọi là stator của ĐCKĐB gồm có vỏ máy, lõi thép stator và
dây quấn.

Hình 1.2. Cấu tạo stator:1 – Lõi sắt, 2 – Lá thép kỹ thuật điện, 3 – Dây quấn, 4 rãnh

13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


Vỏ máy. Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm
mạch dẫn từ. Đối với máy có cơng suất nhỏ thì vỏ máy đƣợc làm bằng gang
cịn với máy công suất tƣơng đối lớn ( 1000 Kw ) thƣờng dùng thép tấm hàn
lại thành vỏ. Vỏ máy có chân đế cố định, hai đầu của vỏ máy có nắp máy để
bảo vệ dây quấn.



Lõi thép: Là phần dẫn từ, để giảm tổn hao sắt từ lõi sắt đƣợc làm bằng
những lá thép kỹ thuật điện dày 0,55mm ép lại.



Dây quấn: Dây quấn stator đƣợc đặt vào các rãnh của lõi sắt và đƣợc cách

điện tốt với lõi sắt.

1.2.2. Phần quay (rotor)
Phần này có 2 bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn.


Lõi sắt: Dùng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, đƣợc ép trực tiếp lên trục
máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngồi của lá thép có xẻ rãnh để đặt
dây quấn.



Dây quấn rotor: Phân làm 2 loại rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc.
- Loại rotor kiểu dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator.

Hình 1.3. a – Rotor dây quấn iến trở: 1 – Lõi thé, 2 – Cuộn dây 1, 3 – Cuộn dây 2, 4 –
Cuộn dây 3, 5 – Vành trượt, 6 – Chuổi than, 7 – Trục, 8 – Biến trở,
b – Rotor dây quấn v i các vành trượt

Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thƣờng dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp sẽ

14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
bớt đƣợc những dây đầu nối, kết cấu dây chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thƣờng
dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của roto thƣờng đấu hình sao,
cịn 3 đầu kia đƣợc nối vào 3 vành trƣợt thƣờng làm bằng đồng đặt cố định ở một
đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch ngồi.
Đặc điểm: Có thể thông qua chổi than đƣa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào

mạch rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số cơng
suất của máy. Khi làm việc bình thƣờng dây quấn rotor đƣợc nối ngắn mạch.
- Loại rotor kiểu

ng sóc:

Hình 1.4: a - Cấu tạo rotor ng sóc: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 –
Trục rotor, – Dây quấn của rotor

Hình 1. 5 a - Cấu tạo rotor ng sóc kép: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 –
Trục rotor, – Dây quấn của rotor ng sóc kép

Kết cấu của 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 đƣợc nối tắt

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng
gọi là lồng sóc. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện đặc
tính mở máy, trong máy cơng suất tƣơng đối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng
rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc (gọi là lồng sóc kép).
1. 3. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ.
Máy điện không đồng bộ là máy điện quay làm việc dựa trên nguyên lý cảm
ứng điện từ. Khi ta cho dòng điện ba pha chạy vào dây quấn ba pha đặt đối xứng
trong lõi thép stator thì trong khe hở khơng khí xuất hiện từ trƣờng quay với tốc độ
đồng bộ n1 

60 f

. Từ trƣờng này quét qua các thanh dẫn của dây quấn rotor và
pp

cảm ứng trong chúng sức điện động. Do dây quấn rotor đƣợc nối ngắn mạch nên
trong nó có dịng điện cảm ứng chạy qua. Từ trƣờng tạo bởi dòng điện rotor sinh ra
kết hợp với từ trƣờng của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở khơng khí. Dịng
điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra lực điện từ (F)
và mô men ( M e ) quay có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. Mô men này
kéo rotor quay theo chiều của từ trƣờng quay. Điện năng đƣa tới rotor đã biến
thành cơ năng trên trục động cơ. Tuy nhiên động cơ chỉ làm việc ở chế độ này khi
0  s  1 hay 0  n  n1 vì khi đó mới có sự chuyển động tƣơng hỗ giữa từ trƣờng

và dây quấn rotor và nhƣ vậy trong dây quấn rotor mới có dịng điện và mơ men
kéo rotor quay. Do tốc độ quay của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trƣờng quay
nên động cơ đƣợc gọi là ĐCKĐB.
1.4. Đặc tính cơ của ĐCKĐB.
Để thành lập phƣơng trình đặc tính cơ của ĐCKĐB ta sử dụng sơ đồ thay thế với
các giả thiết sau
-

Ba pha động cơ là đối xứng.

-

Các thông số của động cơ là không đổi.

-

Tổng mạch từ hóa là khơng đổi,dịng từ hóa chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào
stator động cơ.

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-

Bỏ qua tổn thất ma sát,tổn thất trong lõi thép.

-

Điện áp lƣới hồn tồn hình sin và đối xứng.
Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ.

Hình 1.6. Mạch điện tư ng đư ng 1 pha của ĐCKĐB
Từ mạch điện hình (1-7) ta tính đƣợc tổn hao do các điện trở gây ra trên động
cơ nhƣ sau:
R
2
2

(1-1)
Pcopper  3  Rs I s  r I r 
S


Ta gọi đó là tổn hao đồng mất mát trên dây quấn động cơ.
Hệ số trƣợt S của ĐCKĐB đƣợc định nghĩa là độ chênh lệch giữa tốc độ góc của
rotor r so với tốc độ từ trƣờng quay e và đƣợc tính theo cơng thức sau:

S

e  r
e

(1-2)

Cơng suất khe khe hở khơng khí chính là cơng suất chuyển từ stator đến rotor thơng
qua khe hở khơng khí. Để khảo sát tổn hao công suất đồng do điện trở của rotor gây
ra. Mạch điện đƣợc vẽ lại nhƣ sau

Hình 1. 7. Tổn thất c ng suất do điện trở rotor gây ra
1 S
Rr đƣợc xem nhƣ là công suất cơ ở đầu
S
trục động cơ và đƣợc tính theo cơng thức sau:

Trong đó cơng suất tiêu thụ tại điện trở

17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Pm  3 I r .
2

1 S
Rr
S

(1-3)

Từ đó ta có thể tính moment của động cơ theo công thức nhƣ sau:

Me 

Pm

rm



Pm

1  S  e

2
p



Pm Pgap
P R
P R
2
 3 m r Ir  3 m r Ir
2 e
2 Se
2 sl

2

(1-4)

1.5. Ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng của ĐCKĐB
1.5.1. Ƣu điểm
- Trong công nghiệp hiện nay, phần lớn đều sử dụng ĐCKĐB 3 pha vì nó có cấu
tạo đơn giản, tiện lợi và giá thành rẻ hơn so với động cơ một chiều.
- ĐCKĐB 3 pha dùng trực tiếp lƣới điện xoay chiều 3 pha nên không phải tốn
kém thêm các thiết bị biến đổi. Ngồi ra. ĐCKĐB ba pha cịn có ƣu điểm là vận
hành tin cậy, giảm chi phí vận hành, bảo trì, sửa chữa và kích thƣớc nhỏ gọn.
Ƣu thế trƣớc đây của ĐCKĐB rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh khơng
cịn nữa. Sự phát triển vƣợt bậc của kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý, điện tử công suất
với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công việc điều khiển phức
tạp ĐCKĐB rotor lồng sóc. Do vậy, luận văn chỉ đi sâu vào phƣơng pháp điều khiển
ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc theo phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp .
1.5.2. Nhƣợc điểm
Bên cạnh những ƣu điểm trên thì ĐCKĐB cịn có những nhƣợc điểm sau:
Dễ phát nóng đối với stator, nhất là khi điện áp lƣới tăng và đối với rotor khi
điện áp lƣới giảm.
Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở khơng khí nhỏ.
Khi xảy ra trƣờng hợp sụt áp thì mơ men giảm nhiều do mơ men tỷ lệ với bình
phƣơng điện áp.
1.5.3. Ứng dụng của ĐCKĐB.
Các máy điện không đồng bộ chủ yếu đƣợc dùng làm động cơ còn làm máy

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

phát thì thƣờng dùng các máy điện đồng bộ.
ĐCKĐB là động cơ thông dụng nhất, đƣợc sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp từ công suất nhỏ đến cơng suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các
loại động cơ khác.
ĐCKĐB có ƣu điểm rất lớn: kết cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo, giá thành rẻ,
vận hành an toàn, tin cậy và chắc chắn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lƣới điện
xoay chiều ba pha nên không cần thiết bị biến đổi kèm theo.
Nhƣợc điểm chính của ĐCKĐB là dịng điện mở máy cao, điều chỉnh tốc độ
và khống chế các q trình q độ khó khăn. Các động cơ rotor lồng sóc có các chỉ
tiêu khởi động xấu hơn.
1.6.Các phƣơng pháp điều khiển ĐCKĐB.
ĐCKĐB 3 pha đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ những ƣu điểm
kết cấu đơn giản, vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp lƣới điện xoay chiều 3 pha.
Nhƣợc điểm lớn nhất của ĐCKĐB là điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn bởi vì
các thơng số của ĐCKĐB là thơng số biến đổi theo thời gian, cũng nhƣ sự phức tạp
về cấu trúc so với động cơ điện một chiều.
Theo phƣơng trình mơ men của động cơ (1.6), ta có thể dựa vào đó để điều
khiển mơ men bằng cách thay đổi các thông số nhƣ điện áp cung cấp, điện trở phụ,
tốc độ trƣợt và tần số nguồn. Dƣới đây là một số phƣơng pháp điều khiển đƣợc sử
dụng phổ biến.
1.6.1. Điều khiển vô hƣớng động cơ không đồng bộ (scalar
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ là
truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của
nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều
khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động
cơ ổn định. Điều khiển này đƣợc gọi là điều khiển vô hƣớng, khi giả thiết điện áp
hoặc dịng điện đƣợc điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số đƣợc
điều chỉnh, khơng liên quan đến vị trí khơng gian của những véc tơ tƣơng ứng.
Điều khiển vô hƣớng đơn giản hơn điều khiển véc tơ. Kỹ thuật vô hƣớng

19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chung nhất thƣờng đƣợc dùng trong thực tế là

V
 cont không đổi (Constant
f

Volts/Hertz) nghĩa là biên độ điện áp stator đƣợc điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy
trì từ thơng stator khơng đổi. Phƣơng pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trƣờng
quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Momen đƣợc cải tiến
phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trƣờng quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều
khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật r sẽ so
sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn r* , sai số đạt đƣợc đƣa vào bộ điều khiển trƣợt (slip
controller), cho ra tín hiệu tốc độ trƣợt chuẩn  sl* . Tín hiệu này cộng với r tạo ra
tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage
Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.

Voltage
controller
Slip Controller

 *r

r

 *sl

e*

r

Dc supply
Voltage

U S*

e*

Inverter

r
motor

r
Speed
sensor

Hình 1. 8. M hình chung của hệ thống đi u khiển tốc độ v hư ng
Một phƣơng pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen
(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế

20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
momen xác lập đƣợc điều khiển trong khi biên độ từ trƣờng đƣợc duy trì không đổi.

Trong trƣờng hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trị phụ vì hồi tiếp dịng điện có
phần phức tạp hơn phƣơng pháp Constant Volts/Hertz.
DC Supply
Voltage

I s*
M

 r/*

*
e

Calculator
1

I sT*

Calculator
2

I s*

r

Inverter

*
Current
sensor

motor

Speed sensor

Hình 1. 9. S đ khối của hệ thống đi u khiển mô men v hư ng
1.6.2. Phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian
Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một
trong những kỹ thuật đƣợc nghiên cứu rộng rãi nhất trong những thập niên qua.
Khơng chỉ địi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn cơng
suất mà cịn u cầu phải đơn giản và chính xác. Có nhiều kỹ thuật điều chế nhƣ: kỹ
thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhƣng bổ sung thêm ứng dụng số là
điều chế véc tơ không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp. Phƣơng pháp điều
chế véc tơ không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của véc
tơ không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó đƣợc mở rộng triển khai trong hệ
thống điện ba pha. Phƣơng pháp này là phƣơng pháp phổ cập trong các hệ truyền
động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn (Transistor).

21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Thông thƣờng, các đôi van đƣợc vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3
pha với biên độ cho trƣớc, với tần số cũng nhƣ góc pha cho trƣớc cung cấp cho động
cơ đạt yêu cầu. Biến tần đƣợc nuôi bởi điện áp một chiều. Biến tần thƣờng hoạt động
theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn đƣợc dùng ở đây là IGBT,
MOSFET.
Phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục
của véc tơ không gian tƣơng đƣơng của véc tơ điện áp nghịch lƣu trên quỹ đạo
đƣờng tròn. Với sự dịch chuyển đều đặn của véc tơ không gian trên quỹ đạo đƣờng

trịn, các sóng hài bậc cao đƣợc loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên
độ áp ra trở nên tuyến tính. Véc tơ tƣơng đƣơng ở đây chính là véc tơ trung bình
trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lƣu áp.
+

+

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

Hình 1. 10. Trạng thái đóng ngắt của ộ đi u khiển véc t không gian
1.6.3. Phƣơng pháp điều khiển véc tơ
Động cơ AC, cụ thể là động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc có những ƣu
điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dƣỡng. Tuy nhiên, trong những
ứng dụng trong cơng nghiệp địi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển
chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tƣợng phi tuyến và nhiều
thơng số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành.

22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Điều khiển định hƣớng từ trƣờng (Field orientation control - FOC) hoặc điều
khiển véc tơ (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt đƣợc việc tách biệt thay đổi
động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và
momen tƣơng tự nhƣ động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển véc tơ là điều kiện tối ƣu hóa momen và tách rời điều khiển
momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của
động cơ khơng đồng bộ. Có 2 phƣơng pháp điều khiển véc tơ điển hình là: Phƣơng
pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thơng của động cơ (hay là ƣớc lƣợng
từ thông), và phƣơng pháp gián tiếp dựa vào đo lƣờng tốc độ hoặc vị trí của rotor.
Trong các phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp điều khiển véc tơ là một
phƣơng pháp mạnh, ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi đặc biệt là cho rotor lồng
sóc với nhiều ƣu điểm đã nói ở trên. Ngồi ra, với phƣơng pháp điều khiển véc tơ
thì ĐCKĐB có thể đƣợc điều khiển nhƣ động cơ một chiều. Bằng cách sử dụng hệ

trục tọa độ gắn với véc tơ khơng gian của từ thơng từ hóa, từ thơng stator hoặc từ
thơng rotor thì biểu thức xác định mơ men điện từ sẽ tƣơng tự nhƣ mô men điện
từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nhƣ vậy, mơ men điện từ có thể
đƣợc điều khiển bằng cách điều khiển riêng rẽ hai thành phần: thành phần sinh từ
thông và thành phần sinh mô men. Điều này cũng tƣơng tự nhƣ điều khiển riêng
rẽ mạch phần ứng và mạch kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Điều khiển véc tơ có thể đƣợc thực hiện với cả hệ thống ĐCKĐB - biến tần nguồn
áp hoặc ĐCKĐB - biến tần nguồn dòng và ĐCKĐB - biến tần trực tiếp.

23