Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

ặt nam châm lớn hơn.
Động cơ đồng bộ nam châm vÜnh cưu cùc Èn cã nhiỊu kiĨu rotor kh¸c nhau.
D−íi đây là ba kiểu rotor thờng gặp trong thực tế.

a

cc

b

Hình 1.3. Các kiểu rotor của động cơ đồng bộ nam ch©m vÜnh cưu cùc Èn

21


Phần 2

Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.3. Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ

Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ và
xây dựng các đặc tính cơ của chúng, ngời ta thờng sử dụng sơ đồ thay thế một
pha với các giả thiết sau:
- Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hoàn toàn hình sin đối xứng.
- Các thông số của động cơ là không đổi (nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt
độ, điện trở là hằng số, mạch từ không bÃo hoà nên điện kháng cũng không đổi).
- Dòng điện một chiều kích thích không thay đổi (Ikt = const).
- Bỏ qua các hao tổn cơ và hao tổn phụ.
- Bỏ qua ảnh hởng của từ trờng bậc cao trong máy.
Khi mô tả các đại lợng điện áp và dòng điện ở dạng các véc tơ phức, theo

TL[6], ta có phơng trình điện áp cho mỗi pha của động cơ đồng bộ nh sau:
U = E + I ( R +JX )

(1.1)

Trong ®ã: U ®iƯn ¸p pha.
E = 2 .Π.f.kw.N.φ søc ®iƯn ®éng trong dây quấn phần ứng.
I dòng điện chạy trong mạch phần ứng.
R điện trở phần ứng.
X điện kháng phần ứng.
Từ phơng trình (1.1) ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ đồng bộ nh
sau.
R

X
I

U

E
Hình 1.4. Sơ đồ thay thế động cơ đồng bộ

22


Phần 2

Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.4. Các đặc tính của động cơ đồng bộ

Khi ta đóng stator động cơ đồng bộ vào nguồn điện xoay chiều có tần số f1
không đổi, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ:
1 =2 f1/p

(1.2)

Trong phạm vi mô men cho phép M Mmax, đặc tính cơ là cứng tuyệt đối (độ
cứng của đặc tính cơ = ). Theo TL [2], [8] đặc tính cơ của động cơ đồng bộ
nh hình 1.5

1

0

Mmax

M

Hình 1.5. Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ
Khi mô men vợt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất ®ång bé. Trong
hƯ trun ®éng dïng ®éng c¬ ®ång bé ngời ta còn sử dụng đặc tính góc:M = f().
Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ giữa mô men của động cơ với góc lệch
của véc tơ điện áp pha lới điện và véc tơ sức điện động cảm øng trong d©y qn
stator do tõ tr−êng 1 chiỊu sinh ra.
Từ phơng trình (1.1) nếu bỏ qua điện trở R của stator ta có đồ thị véc tơ nh
hình 1.6
Từ đồ thị véc tơ (hình 1.6) ta có:
U.cos = E cos(ϕ - θ )

(1.3)

mµ

23

cos(ϕ - θ ) =

U. sin θ
I.X


Phần 2

Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

U
j IX

E



0

I

Hình 1.6. Đồ thị véc tơ của mạch stator động cơ đồng bộ
Thay vào phơng trình trên ta đợc:
Ucos = E

U.sin
I.X

UI cos =

EU
.sin
X

(1.4)

Vì UI cos là công suất 1 pha của động cơ nên công suất 3 pha của động cơ
là:
P=3

EU
.sin
X

(1.5)

Mô men của động cơ là:
M=

P

1

=

3EU
sin
1X

(1.6)

Đây là phơng trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ (hình 1.7). Trên
đờng đặc tính góc ta thấy, khi = /2 thì mô men đạt cực đại:
Mmăx = 3

EU
.X

(1.7)

Mô men Mmăx đặc trng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tải tăng, góc
lệch tăng, nếu > /2 thì mô men lại giảm. Động cơ đồng bộ th−êng lµm viƯc

24


Phần 2

Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

định mức với đm = 200 ữ 300. Hệ số quá tải về mô men:
M =

M max

= 2 ữ 2,5
M dm

M

(1.8)

M
M1
3/2

0

/2

2



M2

Hình 1.7. Đặc tính góc của động cơ đồng bộ
Quá trình phân tích ở trên chỉ đúng với động cơ đồng bộ cực ẩn. Với động
cơ đồng bộ cực lồi do sự phân bố khe hở không khí giữa rotor và stator không
đều nên trong máy xuất hiện mô men phản kháng phụ, theo TL [2], [8] phơng
trình đặc tính góc có dạng sau:

3UE
3U 2 ⎛⎜ 1
1 ⎞⎟

−
sin θ +
sin 2θ
M=
ω .X d
2ω X q X d

(1.9)

Với Xd, Xq là điện kháng dọc trục và ngang trục.
Đờng cong biểu diễn M sẽ là tổng của hai thành phần:
M1 =

3UE
sin
.X d

(1.10)

3U 2 ⎛⎜ 1
1 ⎞⎟
sin 2θ
−
M2 =
2ω ⎜⎝ X q X d

(1.11)

Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1, M2 bằng các đờng nét đứt. Đối với
máy cực ẩn Xd = Xq nên M2 = 0 và M = M1. Nh−ng th−êng M2 rÊt nhá nªn cã thĨ

bá qua. Khi đó đăc tính góc của động cơ cực låi vµ cùc Èn lµ nh− nhau.

25


Phần 2

Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ

1.5.1. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
Theo TL [2], [7] tốc độ quay của ĐCĐB đợc tính bởi biểu thức:

s =
Trong đó:

2f s
p

(1.12)

fs là tần số của nguồn cung cấp
p là số đôi cực từ của động cơ

Từ công thức (1.12) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ ®iỊu chØnh
®−ỵc tèc ®é quay cđa ®éng. Do vËy trong cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh
tốc độ ĐCĐB bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số (gọi tắt là bộ biến tần).
* Bộ biến tần là thiết bị điện tử dùng để biến đổi năng lợng điện xoay chiều
từ tần số này sang tần số khác, nó đợc chia làm hai loại:

- Bộ biến tần trực tiếp là bộ biến tần dùng để biến đổi trực tiếp điện áp xoay
chiều U1 có tần số f1 thành điện ¸p xoay chiỊu U2 cã tÇn sè f2 cung cÊp cho tải mà
không cần qua khâu trung gian nào. Vì vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi
điện năng cao. Tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, nên hiện nay chỉ
có loại điều chỉnh tần số ra thấp hơn tần số nguồn cung cấp (f2cho các hệ truyền động công suất lớn. Sơ đồ khối của bộ biến tần trực tiếp đợc
thể hiện trên hình 1.8.

U 1
f1

Mạch
van

Hình 1.8. Sơ đồ khối bộ biÕn tÇn trùc tiÕp

26

U 2∼
f2


Phần 2

Véc tơ không gian - Mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến tần dùng để biến đổi điện áp xoay chiều U1
có tần số f1 thành điện áp xoay chiều U2 có tần số f2 cung cấp cho tải thông qua
khâu trung gian là nguồn một chiều. Cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp đợc mô
tả trên hình 1.9.

U 1
f1

Chỉnh
lu

Lọc

Nghịch
lu

U 2
f2

Hình 1.9. Cấu trúc bộ biến tần gián tiếp
Trong bộ biến tần gián tiếp có hai khâu:
- Nguồn một chiều thờng là bộ chỉnh lu kết hợp với bộ lọc điện.
- Bộ nghịch lu là bộ phận chính gồm nhiều loại nó đợc chia ra thành hai
nhóm chính là nghịch lu nguồn áp và nghịch lu nguồn dòng.
Điện áp xoay chiều U1 với tần số f1 đợc chuyển thành nguồn một chiều nhờ
bộ chỉnh lu và bộ lọc. Sau đó qua bộ nghịch lu để chuyển thành điện áp xoay
chiều U2 có tần số f2. Việc chuyển đổi năng lợng hai lần làm giảm hiệu suất của
biến tần song bù lại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ
thuộc vào tần số đầu vào f1 mà chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Nó cho phép
ta điều chỉnh tần số và điện áp liên tục.
Việc sử dụng các bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ ĐCĐB sẽ đợc phân tích
kỹ ở các phần sau.
1.5.2. Phân loại hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ ba pha trớc đây thờng dùng cho các loại truyền động

không cần điều chỉnh tốc độ, với công suất rất lớn tới hàng trăm KW đến hàng

27