Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha

Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt
LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha
điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế
SPWM. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều
khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng
như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mơ hình
biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động
với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt
thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ
không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang
thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô
trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên mơn làm
cơ sở để em hồn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em
hồn tất khóa học.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Nghĩa,
đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hồn
thành đề tài này.
Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009

SVTH: Vũ Quang Trình

1


Trường ĐHGTVT

nghiệp

Đồ án tốt
MỤC LỤC

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA...........4
CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA................................................................................14
1.

Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ..................................14

2.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha........16

3.

Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn.......16

4.

Phương pháp điều chỉnh U/f = const........................................................17

CHƯƠNG 3: BIẾN TẦN........................................................................................21
1.

Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp......................21

2.

Phân loại biến tần......................................................................................23

3.

Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần.........................................................25

4.

Phương thức điều khiển............................................................................27

PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ..................................................................................45
1.

Sơ đồ cấu trúc...........................................................................................46

2.

Sơ đồ tính năng.........................................................................................49

PHẦN III: THIẾT KẾ CHI TIẾT............................................................................50
CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.................................................................50
1.

Tính tốn các thông số động cơ................................................................50

2.

Thiết kế tầng nghịch lưu và tầng mạch kích..............................................50

2.1. Giới thiệu về module cơng suất IRAMX16UP60A..................................51
2.2. Tính chọn tụ boostrap...............................................................................57

3.

Thiết kế mạch theo dõi dịng điện.............................................................59

4.

Thiết kế mạch điều khiển..........................................................................63

5.

Thiết kế bộ nguồn.....................................................................................66

CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TỐN...................................70
1.

Phân tích khảo sát phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM...............70

SVTH: Vũ Quang Trình

2


Trường ĐHGTVT
nghiệp
2.

Đồ án tốt

Phương pháp điều chế tín hiệu SPWM ba pha theo luật U/f=const sử dụng

PSoC 2
PHỤ LỤC................................................................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................91

SVTH: Vũ Quang Trình

3


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt
PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I

Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha
1. Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch
nhau 120o trong khơng gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ
trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường
quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng
trong các thanh dẫn.
Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có
dịng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay
lại tác dụng vào chính dịng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo

quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường
quay.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto
quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây
quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dịng điện cảm ứng sẽ khơng cịn, momen
quay cũng khơng cịn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các
dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại
có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ
hơn tốc độ từ trường.
Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay
động cơ xoay chiều.

SVTH: Vũ Quang Trình

4


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vịng/phút) thì tốc độ quay
của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai
tốc độ gọi là độ trượt s:

o  
o

(1-1)

ω = ωo(1 – s)

(1-2)

s

Từ đó ta có:
hay
n = no(1 – s)

(1-3)

Với:



SVTH: Vũ Quang Trình

2n
60

(1-4)

5


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

o 

f1 -

2n o 2f1

60
p

(1-5)

tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.

Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu khơng có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay
chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

f2 

p(n o  n )
 sf1
60

(1-6)

2. Đặc tính cơ của động cơ điện khơng đồng bộ ba pha
2.1.

Phương trình đặc tính cơ

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba
pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng khơng
đổi, tổng trở mạch từ hóa khơng đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi
thép và điện áp lưới hồn tồn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như
hình vẽ 1-2

SVTH: Vũ Quang Trình

6


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ khơng đồng bộ
Trong đó:
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
Iµ, I1, I’2 – dịng điện từ hóa, dịng điện stato và dịng điện roto đã quy đổi về
stato (A)
Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã
quy đổi về stato (Ω)
Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy
đổi về stato (Ω)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

M

3U12 R '2
2


R '2 
so  R1 

X
nm 

s




,[Nm]
(1-7)

Trong đó:
Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2
2.2.

Đường đặc tính cơ

Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị

của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là
đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ ba pha.

SVTH: Vũ Quang Trình

7


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

dM
0
ds

(1-8)

Giải phương trình ta có:

s th  

R '2
2
R12  X nm

(1-9)

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

M th 

3U12
2o (R1  R12  X 2nm )

(1-10)

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và
Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).

SVTH: Vũ Quang Trình

8


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên
đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm
việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này
động cơ làm việc khơng ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và

momen mở máy:

M mm

3U12 R '2

o (R1  R '2 ) 2  X 2nm 

(1-11)

Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng bộ:

o 

2f1
p

(1-12)

3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ:
Khi thay đổi f1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω o thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng
bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s th và
momen tới hạn Mth.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s th = f(f1) và momen tới hạn theo tần số Mth
= f(f1) là phức tạp nhưng vì ωo và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các
biểu thức của sth và Mth rút ra:

SVTH: Vũ Quang Trình

9

Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt
1

s

 th f

1

M  1
 th f12

(1-13)

Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn Mth đều tăng nhưng Mth
tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng trở của các cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dịng điện động cơ
tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải
đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:

u1
 const
f1

(1-14)

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm. Ở vùng f1 > f1dm thì khơng thể
tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với
bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật

U / f  const để giữ cho động cơ không bị quá tải về cơng suất.

Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

SVTH: Vũ Quang Trình

10


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với thay
đổi điện áp
4. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các
thiết bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và 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 thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được.
Hiện nay có 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 khơng cần điều khiển

trừ các q 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 với 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 thống
điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ
không thể thiếu trong q trình tự động hóa.

SVTH: Vũ Quang Trình

11


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Động cơ khơng đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc
chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong mơi trường độc
hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không
đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất
từ vài chục đến hàng nghìn kW. Trong cơng 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 hàng ngày, động cơ khơng
đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió,
động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hịa… 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 khơng đồng
bộ ngày càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một
chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thơng 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 của động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiều
địi hỏi một hệ thống tính tốn cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị
xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay
chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ khơng đổi do các phương pháp điều
khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
5. Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế
nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ
một chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một
máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển

SVTH: Vũ Quang Trình

12


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thơng và momen hồn tồn độc
lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc
giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).
Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ
thơng và momen trong cả q trình q độ cũng như quá trình xác lập của máy điện
xoay chiều giống như máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán
dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều

khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở
thành một tiêu chuẩn cơng nghiệp.
Với sự phát triển nhanh chóng, ngành cơng nghiệp tự động ln địi hỏi sự cải
tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau. Những yêu cầu cải tiến
cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo
dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy, những hệ
truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyền
động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính để sử dụng
rộng rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và
momen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và
bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn. Trong khi đó,
các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những
năm 70 với các mạch điều khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục khơng thể đáp
ứng được sự địi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này địi
hỏi một khối lượng tính tốn trong một thời gian ngắn.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý
thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển
vector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì
giá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).

SVTH: Vũ Quang Trình

13


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý
khác chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic )
vào điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền
động. Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ
truyền động xoay chiều trong một tương lai gần. Triển vọng ứng dụng rộng rãi của
hai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn
( Semiconductor Microprocessor ).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết
điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó là lý
thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC )
do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC
vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.

CHƯƠNG 2
CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA
1. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải khơng đổi
trong suốt q trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống
thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết
thời gian momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dịng khởi động rất lớn. Điều này làm tổn
thất cơng suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có
thể làm hỏng lớp cách điện. Dịng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh
hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.

SVTH: Vũ Quang Trình

14

Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Khi chạy khơng tải, dịng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dịng từ hóa, tải
hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất ( PF: Power Factor ) rất thấp,
khoảng 0,1. Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dịng điện từ hóa duy
trì hầu như khơng đổi trong suốt q trình hoạt động từ khơng tải đến đầy tải. Vì
vậy khi tải tăng hệ số cơng suất cũng lên. Khi động cơ làm việc với hệ số cơng suất
nhở hơn 1, dịng điện trong động cơ khơng hồn tồn sin. Điều này cũng làm giảm
chất lượng cơng suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với
động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ.
Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng
suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các
phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác
dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như
quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đơ,
cơng suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này
phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính tốn cho thấy việc giảm 20% tốc
độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% cơng suất đầu vào. Mà điều này là không thể
thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số cơng suất nhỏ hơn đơn vị, dịng điện
trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất
trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ bị
gợn sóng. Các thành phần điều hịa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao
bởi tính chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm

ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn
định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ.

SVTH: Vũ Quang Trình

15


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thơng minh.
Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời
những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính
tốn đã dẫn đến việc điều khiển động cơ khơng đồng bộ có thể đạt được chất lượng
cao.
2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
-

Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf

-

Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

-

Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

-

Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hịa

-

Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng

-

Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần
số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức
độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp
phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh
tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh
động cơ khơng đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1.
3. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đơi
cực từ theo cơng thức:

SVTH: Vũ Quang Trình

16


Trường ĐHGTVT

nghiệp

Đồ án tốt
o 

2f1
p

(2-1)

Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo cơng thức:

  o (1  s)

(2-2)

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f 1 hoặc thay đổi số đơi cực từ có thể điều
chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số
đơi cực từ khơng thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f 1. Bằng
cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng khi
tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết quả là làm cho dịng
điện và từ thơng của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm
cho mạch từ bị bão hịa và động cơ khơng làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy
đuợc hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một
luật điều khiển nào đó sao cho từ thơng của động cơ khơng đổi. Từ thơng này có thế
là từ thơng stato Φ1, từ thông của roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φ µ.
Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ
thông không đổi cũng làm giữ cho momen khơng đổi. Có thể kể ra các luật điều
khiển như sau:
-

Luật U/f không đổi: U/f = const

-

Luật hệ số quá tải khơng đổi: λ = Mth/Mc = const

-

Luật dịng điện khơng tải khơng đổi: Io = const

-

Luật điều khiển dịng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

4. Phương pháp điều chỉnh U/f = const
Sdd của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:

  I Z
 f U
E 1  K
1 1
1
1 1

SVTH: Vũ Quang Trình

(2-3)

17

Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Từ (2-3) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó:

1  K

U1
f1

(2-4)

Như vậy để giữ từ thơng khơng đổi ta cần giữ tỷ số U 1/f1 không đổi. Trong
phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở
định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên
điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ
khơng hồn tồn làm việc ở chế độ từ thơng khơng đổi.
Ta có cơng thức tính momen cơ của động cơ như sau:

M

3U12 R '2 / s
R'
0 [(R1  2 ) 2  (X1  X '2 ) 2 ]
s

(2-5)

Và momen tới hạn:

M th 

3U12
20 ( R1  R12  (X1  X 2' ))

(2-6)

Khi hoạt động ở định mức:

M dm

2
3U1dm
R '2 / s

R'
 0dm [(R1  2 ) 2  (X1dm  X '2dm ) 2 ]
s

M thdm 

SVTH: Vũ Quang Trình

2
3U1dm

20dm (R1  R 12  (X1dm  X '2dm ) 2 )

(2-7)

(2-8)

18


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Ta có cơng thức sau:

a

f1
f1dm

(2-9)

Với f1 – là tần số làm việc của động cơ, f1dm – là tần số định mức. Theo luật U/f=
const :

U1 U1dm
U
f


 1  1 a
f1
f1dm
U1dm f dm

(2-10)

Ta thu được:

U1  aU1dm
f1  af1dm

(2-11)

Phân tích tương tụ, ta cũng thu được ω o = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay
các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được cơng thức tính momen và momen tới
hạn của động cơ ở tần số khác định mức:



R '2
2
U
1dm


3
a.s
M



o  R1 R '2 2
' 2
( 
)  (X1  X 2 )
 a a.s


(2-12)

2
3
U1dm
M th 
2
2o R
 R1 
1
    (X1  X '2 ) 2
a
 a 

(2-13)

Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X 1 và X’2 phụ thuộc vào tần số trong
khi R1 lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X 1 + X’2) >> R1/a,

SVTH: Vũ Quang Trình

19

Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như
không đổi. Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R 1/a sẽ tương đối lớn so
với giá trị của (X1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn.
Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ
điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan
hệ sau:
U1 =Uo + Kf1

(2-14)

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U 1 cấp cho động cơ U=Udm tại f
= fdm . Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó
động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan
hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:

SVTH: Vũ Quang Trình

20


Trường ĐHGTVT

nghiệp

Đồ án tốt

Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const
Từ (hình 2-1) ta có nhận xét sau:
-

Dịng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

-

Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc

độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định
mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.
-

Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức

bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp
định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng trên vận tốc
cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
-

Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự

thay đổi của tần số theo thời gian.

CHƯƠNG 3
BIẾN TẦN
1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày
càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận
đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ
điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong cơng nghiệp có liên quan đến tốc độ
động cơ điện. Đơi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống
còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm

SVTH: Vũ Quang Trình

21


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi
đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề
chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thơng …
Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu
cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:


Biến đổi các thơng số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển

tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.


Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức

tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng
các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều
khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.
Khảo sát cho thấy:


Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.



Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt

gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hịa khơng khí trung tâm),
chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.


Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ khơng đổi

lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về
từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
 

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt



Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.



Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.



Giảm tiếng ồn công nghiệp.



Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.



Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.

SVTH: Vũ Quang Trình

22


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ
thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều
phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh
kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy
biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt
(ít hài) và cơng suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn
nhiều hạn chế như:
-

Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.

-

Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.

-

Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo

trì cũng như thay mới.
-

Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển khơng rộng và dễ bị quá điện áp

ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động cịn nhiều thơng số khác cần được thay đổi, giám
sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải
… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường
hợp này.

2. Phân loại biến tần
Biến tần thường được chia làm hai loại:
-

Biến tần trực tiếp

-

Biến tần gián tiếp

2.1.

Biến tần trực tiếp

SVTH: Vũ Quang Trình

23


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều
không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và
nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
2.2.

Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy
có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau:
a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều
thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là khơng điều chỉnh hoặc có điều chỉnh.
Ngày nay đa số chỉnh lưu là khơng điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều
trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến
đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu
thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường
dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ
thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà
bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.

SVTH: Vũ Quang Trình

24


Trường ĐHGTVT
nghiệp

Đồ án tốt

b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.
c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành
dịng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập

Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:
-

Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng

trước (thường có dạng xung chữ nhật) cịn dạng dịng điện phụ thuộc vào tính chất
tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các
ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.
-

Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được

định hình trước, cịn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn
dòng để đảm bảo giữ dịng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì
phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều
khiển ổn định dòng điện.
Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt
động, do đó dạng dịng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện áp và
dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải.
3. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần
Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình ()

SVTH: Vũ Quang Trình

25