Nghiên cứu hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ với xét đến bão hòa mạch tử

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

NGUYỄN XUÂN TRÍ

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG
CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
BÃO HÒA MẠCH TỪ

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

KHỐ 2010
Hà Nội – Năm 2013


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

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO HÒA MẠCH TỪ

Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tơi làm dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Vũng tàu, ngày 17 tháng 03 năm 2013
Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Trí


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................5
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ .......................................................................................................9
1.1.Tổng quan .................................................................................................................9
1.2.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB ...................................................................10
1.2.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số không đổi ......................................................... 10
1.2.1.1. Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện áp stato :....................... 10
1.2.1.2. Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện trở phụ roto : ................. 11
1.2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số thay đổi ............................................................. 12
1.2.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) .......................................... 12

1.2.2.2.Nguyên lý điều khiển tần số .......................................................................................... 13
1.2.2.3. Phương pháp điều khiển véctơ ...................................................................................... 19
CHƯƠNG 2- MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ .......................25
2.1. Mơ hình động cơ khơng đờng bộ khi khơng xét ảnh hưởng của bão hịa từ .........25
2.1.1.Hệ phương trình trong khơng gian véctơ ........................................................................ 27
2.1.1.1.Hệ phương trình cân bằng điện áp ở dạng véctơ ....................................................... 27
2.1.1.2.Hệ tọa độ quay chuẩn ....................................................................................................... 28
2.1.1.3. Hệ phương trình véctơ trạng thái ................................................................................. 29
2.2.Mơ hình động cơ khơng đờng bộ khi xét ảnh hưởng của bão hòa từ .....................32
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ CĨ TÍNH CHẾ ĐỘ
BÃO HÒA TỪ ..............................................................................................................34

0


3.1 Cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp không xét đến bão hịa từ ..........................34
3.2. Tính tốn từ thơng theo mơ hình quan sát đủ bậc .................................................35
3.3 Mơ hình quan sát từ thơng với tính đến ảnh hưởng của sự bão hịa từ ..................37
3.4 Mơ hình tính tốn lượng đặt dịng điện ..................................................................39
3.5 Hệ thống điều khiển véctơ có xét bão hịa từ .........................................................40
CHƯƠNG 4 – MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...........................................42
4.1 Mơ hình mơ phỏng..................................................................................................42
4.1.1. Mơ hình động cơ không đồng bộ khi xét ảnh hưởng của bão hịa từ ..................... 42
4.1.2. Mơ hình mơ phỏng khâu tính lượng đặt dịng điện I*ds và I*qs ................................. 45
4.1.3. Mơ hình mơ phỏng tính các thành phần từ thơng từ hóa và dịng từ hóa ............ 45
4.1.4. Mơ hình quan sát từ thơng ở chế độ khơng bão hịa từ .............................................. 46
4.1.5. Mơ hình quan sát từ thơng ở chế độ bão hịa từ ........................................................... 47
4.2. Mơ phỏng hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp khi không xét bão hịa từ .............48
4.2.1.Sơ đờ mơ phỏng ..................................................................................................................... 48
4.2.2 Thơng số động cơ .................................................................................................................. 49

4.2.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................................... 50
4.2.4. Kết luận ................................................................................................................................... 53
4.3.Mô phỏng hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp xét ảnh hưởng của bão hòa từ ......53
4.3.1.Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................................................... 53
4.3.2. Kết quả mô phỏng khi chưa có thuật tốn bù ảnh hưởng bão hịa từ ..................... 55
4.3.3. Kết quả mơ phỏng khi có thuật tốn bù ảnh hưởng bão hòa từ .............................. 58
KẾT LUẬN ..................................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................65

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt:
Động cơ không đồng bộ

: ĐCKĐB

Sức điện động

: sđđ

Điều khiển véctơ trực tiếp : ĐKVTTT
Điều khiển véctơ gián tiếp : ĐKVTGT
Ký hiệu:
Uđm

: điện áp định mức ;

Pđm

: Công suất định mức

Sth

: hệ số trượt tới hạn ;

nđm

: Tốc độ quay định mức

Mnm

: Mơ men ngắn mạch;

J

: Mơ men qn tính cơ

Mkđ

: Mô men khởi động ;

Rs

: điện trở stato

Rf

: điện trở phụ

;

LsM

: Điện cảm tản dây quấn stato

Mc

: Mô men cản

;

Ts

: Hằng số thời gian của stato

M

: Mômen động cơ

;

Tr

: Hằng số thời gian của roto

M

: Tốc độ thực

;

Lmn

: Điện cảm định mức

 *M

: Tốc độ đặt

;

s

: Véctơ từ thông stato

 sl

: Tốc độ trượt chuẩn ;

m

: véctơ từ thông từ hóa

f

: Tần số

;

ψαr

: Từ thơng roto trên trục α

fđm

: Tần số định mức

;

ψβr

: Từ thông roto trên trục β

Pp

: số đơi cực từ

;

σ

: Hệ số tản từ tồn phần

2


Es

: sđđ stato

θm

: Từ thơng cực đại

θs

: Góc quay từ trường

Ids

: Dòng điện stato trục d

Iqs

: Dòng điện stato trục q

ias

: Dòng điện stato pha a

ibs

: Dòng điện stato pha b

ics

: Dòng điện stato pha c

iαs

: Dòng điện stato trên trục α

iβs

: Dòng điện stato trên trục β

uas

: Điện áp stato trên trục a

ubs

: Điện áp stato trên trục b

ucs

: Điện áp stato trên trục c

Ls

: Điện cảm mạch stato

Lr

: Điện cảm mạch roto đã quy đổi về stato

Lm

: Điện cảm từ hóa

LrM

: Điện cảm tản dây quấn roto quy đổi về phía stato

TsM

: Hằng số thời gian tản mạch stato

3


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ .......................................................... 101
Hình 1.2- Sơ đờ và đặc tính điều khiển điện áp stato ...................................................11
Hình 1.3 - Sơ đờ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ ...........................................12
Hình 1.4 - Sơ đờ khối hệ thống điều khiển tốc độ vơ hướng........................................13
Hình 1.5 - Đặc tính động cơ có cơng suất trung bình và nhỏ với luật U/f = const.......15
Hình 1.6 - Đặc tính U(f) lý tưởng (1) và thực tế(2) ......................................................16
Hình 1.7 - Đặc tính động cơ khi điều khiển từ thông khe hở không đổi. .....................18
Hình 1.8 - Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều và điều khiển
vectơ..............................................................................................................................20
Hình 1.9 - Đồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ. ..........................................20
Hình 1.10 - Sơ đờ khối cơ bản của hệ điều khiển vectơ - động cơ không đồng bộ . 212
Hình 1.11 - Đờ thị góc pha của phương pháp điều khiển gián tiếp ......................... 223
Hình 2.1 - Biểu diễn vectơ khơng gian ...................................................................... 266
Hình 2.2 - Hệ tọa độ chuẩn ...........................................................................................29
Hình 3.1 - Hệ thống điều khiển vectơ kiểu trực tiếp ....................................................34
Hình 3.2 - Tính tốn r theo mơ hình quan sát. ...........................................................37

Hình 3.3 - Sơ đờ mơ hình quan sát có xét đến bão hịa từ ............................................38
Hình 3.4 - Sơ đờ tính tốn lượng đặt dịng điện ...........................................................39
Hình 3.5 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp .....................................40
Hình 4.1 - Quan hệ từ thơng với dịng điện từ hóa ......................................................44
Hình 4.2- Sơ đờ mơ phỏng động cơ khi xét đến bão hịa từ .........................................44
Hình 4.3 - sơ đờ mơ phỏng tính lượng đặt dịng điện I*ds và I*qs ..................................45
Hình 4.4 - Sơ đờ mơ phỏng tính các thành phần từ thơng từ hóa. ...............................45
Hình 4.5 - Sơ đờ mơ phỏng tính các thành phần dịng từ hóa ......................................46
4


Hình 4.6 - Mơ hình quan sát từ thơng ở chế độ khơng bão hịa từ ...............................47
Hình 4.7 - Sơ đờ mơ phỏng mơ hình quan sát từ thơng có xét đến bão hịa từ ...........47
Hình 4.8 - Sơ đờ cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp - ĐCKĐB khơng xét bão hịa
từ ...................................................................................................................................48
Hình 4.9 - Mơ hình động cơ khơng đờng bộ ở chế độ khơng bão hịa từ .....................49
Hình 4.10 – Mơ men động cơ .......................................................................................50
Hình 4.11 – Tốc độ động cơ .........................................................................................51
Hình 4.12 – Từ thơng roto ............................................................................................51
Hình 4.13 – Dịng sinh từ thơng ...................................................................................52
Hình 4.14 – Dịng sinh mơmen .....................................................................................52
Hình 4.15- Sơ đờ cấu trúc hệ điều khiển véc tơ trực tiếp - ĐCKĐB có xét bão hịa từ
......................................................................................................................................54
Hình 4.16 - Đặc tính từ hóa động cơ ............................................................................55
Hình 4.17 – Mơ men động cơ khi chưa có bù bão hịa .................................................56
Hình 4.18 – Tốc độ động cơ khi chưa có bù bão hịa ...................................................56
Hình 4.19 – Từ thơng rơto khi chưa có bù bão hịa ......................................................57
Hình 4.20 – Dịng sinh từ thơng khi chưa có bù bão hịa .............................................57
Hình 4.21 – Dịng sinh mơmen khi chưa có bù bão hịa ..............................................58
Hình 4.22 – Mơmen động cơ khi có bù bão hịa ..........................................................59

Hình 4.23 – Tốc độ động cơ khi có bù bão hịa ............................................................60
Hình 4.24 – Từ thơng rơto khi có bù bão hịa...............................................................60
Hình 4.25 – Dịng sinh từ thơng khi có bù bão hịa ......................................................61
Hình 4.26 – Dịng sinh mơmen khi có bù bão hịa .......................................................61
Hình 4.27 - Đờ thị tổng hợp về từ thơng ở 3 chế độ mơ phỏng ...................................62
Hình 4.28 - Đờ thị tổng hợp về dịng sinh mơmen Iqs ..................................................63
5


MỞ ĐẦU
Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
thay cho các động cơ khác vì nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành
tin cậy, rẻ tiền và kích thước gọn nhẹ. Nhược điểm là đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên
trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải
nhường chỗ cho động cơ điện một chiều. Nhưng với việc phát triển của các lý thuyết
điều khiển, truyền động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như kỹ thuật vi xử
lý, điện tử công suất nên đã hạn chế được nhược điểm trên, đưa động cơ không đồng
bộ trở thành phổ biến.Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện
áp. Đây là một phương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn
động đều khơng cao.
Để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần
số điện áp nguồn cung cấp. Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ
nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rotơ nhỏ.
Tuy nhiên phương pháp này cịn phức tạp và đắt tiền, thiết bị dùng để biến đổi tần số
là các bộ nghịch lưu, có thể là nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp. Ta có thể sử dụng
bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn điều khiển. Luật điều
khiển trong mỗi biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất.
Hiện nay, để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trường, ít
khi cịn phải thiết kế theo phương pháp kinh điển nữa. Biến tần đơn giản thường điều
khiển tốc độ theo luật Uf/ để đảm bảo động cơ sinh momen tốt nhưng cho các hệ

truyền động u cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ.
Trong hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số, có 2
phương pháp điều khiển:
➢ Phương pháp điều khiển véctơ trực tiếp: Nguyên lý dựa trên phương pháp

xác định trực tiếp góc quay từ trường s từ các thành phần từ thông khe hở
hoặc từ thông rôto trên hai trục của hệ toạ độ vng góc của hai trục . Có
nhiều phương pháp xác định từ thông rôto : Dùng Cảm biến Hall; tính từ
6


thơng từ điện áp và dịng điện stato; từ dịng điện stato và tốc độ rơto và mơ
hình quan sát .
➢ Phương pháp điều khiển véctơ gián tiếp: Nguyên lý dựa trên phương pháp điều
khiển gián tiếp góc s được tính tốn gián tiếp thơng qua dịng điện và tốc độ
rơto. Hệ điều khiển véctơ gián tiếp cần phải có tín hiệu vị trí rơto và chất
lượng điều khiển phụ thuộc vào các thông số của động cơ không đồng bộ. Do
đó, để đảm bảo điều kiện độc lập, các thông số bộ điều khiển cần thiết điều
chỉnh phù hợp với các tham số động cơ, điều này là một vấn đề không dễ
dàng. Thông số ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống và cần phải tính tốn
trong q trình làm việc là điện trở dây quấn rơto.
Khi nghiên cứu về động cơ không đồng bộ, để đơn giản cho q trình thành lập
mơ hình tốn học, trên cơ sở đó mơ hình hóa động cơ, người ta thường đưa ra một số
giả thiết, trong đó từ thơng động cơ thường được nghiên cứu trong vùng tuyến tính,
nhưng thực tế, trong rất nhiều trường hợp ứng dụng có mơ men biến đổi, lúc đó động
cơ khơng đờng bộ cần phải làm việc ở chế độ bão hòa từ để sinh ra mô men lớn hơn.
Đơn giản như ở các ứng dụng chuyển động, động cơ không đồng bộ được tính chọn
để làm việc bình thường, tuy nhiên trong quá trình chuyển động cần tăng tốc hay giảm
tốc thì nó cần sinh ra mơ men lớn (nhỏ) trong thời gian ngắn. Khi tính chọn động cơ,
ta có thể chọn động cơ nhỏ hơn yêu cầu công nghệ nếu hệ thống điều khiển có thể duy

trì việc điều khiển ở cả vùng mô men lớn. Thông thường, các giá trị điện cảm dùng để
điều khiển các giá trị thay đổi được để bù ảnh hưởng của bão hòa từ, tuy nhiên việc bù
này khơng dễ dàng. Do đó, một vấn đề đặt ra là mơ phỏng chính xác hiện tượng bão
hịa mạch từ ở động cơ khơng đồng bộ để nhận biết được giới hạn của hiện tượng
bão hòa và có phương án điều khiển bù hợp lý, chính xác đem lại lợi ích cao, nâng cao
chất lượng hệ điều khiển.
Với mục đích nghiên cứu sự ảnh hưởng của bão hòa từ đến chất lượng điều
khiển hệ truyền động điện, luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển
véctơ trực tiếp định hướng theo từ thông rôto có xét ảnh hưởng của bão hịa mạch từ.
Bố cục của luận văn gờm 4 chương với nội dung chính như sau:

7


Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ: giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển tốc
độ động cơ không đồng bộ, giới thiệu phương pháp mới với nhiều ưu điểm so
với các phương pháp kinh điển.
Chương 2 – MÔ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ: Đưa ra hệ
phương trình mơ tả tốn học động cơ khơng đờng bộ khi khơng xét đến ảnh
hưởng của bão hịa mạch từ và khi có xét đến ảnh hưởng của bão hịa mạch từ.
Chương 3 - XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ CĨ TÍNH

CHẾ ĐỘ BÃO HỊA TỪ: Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp
không xét đến bão hịa từ, xây dựng mơ hình quan sát từ thơng với tính đến ảnh
hưởng của sự bão hịa từ, mơ hình tính tốn lượng đặt dịng điện và xây dựng
hệ thống điều khiển vectơ có xét bão hịa từ.
Chương 4- MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: Tiến hành mơ phỏng hệ
thống trong 3 trường hợp: khi không xét ảnh hưởng của bão hịa từ, khi có xét
ảnh hưởng của bão hịa từ và trường hợp có bù ảnh hưởng của bão hòa từ.

8


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
1.1.

Tổng quan
Trong cơng nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ

chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm
việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới
công nghiệp, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn
kW. Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ khơng
đờng bộ lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ một chiều. Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ
khơng đờng bộ gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp…
Ngày nay, điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa
đựng những phương pháp mới trong việc mơ hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây
dựng nên các thuật tốn điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện
tử, vi xử lý và điện tử công suất. Cơ sở truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại là
phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của rôto được Haase đưa ra 1968 và
Balaschke đưa ra 1970.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ được sử dụng trong thực tế được minh họa
trên hình 1.1
Tần số không đổi ( f = hằng số):
+ Điều chỉnh điện áp stato.
+ Điều chỉnh điện trở phụ roto.

-

Tần số thay đổi ( f ≠ hằng số) :

+ Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
+ Điều khiển véctơ

9


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ

Hình 1.1- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
1.2.

Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB

1.2.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số không đổi
1.2.1.1. Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện áp stato :
Nguyên lý điều khiển tốc độ : Thay đổi trị số hiệu dụng điện áp đặt vào stato
(nhỏ hơn điện áp định mức), tần số được giữ định mức.
Từ biểu thức mô men tới hạn và độ trượt tới hạn nhận thấy rằng : Khi Điện áp
giảm (men ngắn mạch (Mnm = Mkđ) giảm. Đặc tính như hình vẽ 1.2 .
Đặc tính điều chỉnh của động cơ là :
Mcf ≡ 1/s

10

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ

A

~Ul fl
B

C

§AXC

Uđm>U2>U3

Uđm

sthđm

M

U3

U2

Mth3

Mth2
Mthđm

Hình 1.2- Sơ đồ và đặc tính điều khiển điện áp stato
Nhược điểm của hệ thống điều khiển điện áp stato là phạm vi điều chỉnh tốc

độ và đặc tính có độ dốc tăng khi điện áp giảm. Do dó phương pháp này thường được
sử dụng để khởi động động cơ với tải là các máy bơm, quạt gió. Khi điện áp giảm mơ
men khởi động giảm theo U12. Như vậy khả năng khởi động của động cơ cũng giảm
đi. Động cơ sẽ khó khởi động hơn đặc biệt với các cơ cấu có mơ men cản tĩnh (khi
động cơ khơng quay) lớn : băng tải có tải khi khởi động, cần trục có tải.
1.2.1.2. Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện trở phụ roto :
Nguyên lý điều chỉnh : Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ trong roto.
Khi điện trở phụ roto tăng, mô men tới hạn không thay đổi, độ trượt tới hạn
tăng. Cũng có thể thấy rằng, khi điện trở phụ tăng trong một phạm vi nào đó, mơ men
ngắn mạch (mơ men khởi động) tăng . Khi Rf=Rfm Mô men khởi động là lớn nhất và
băng mơ men tới hạn.
Đặc tính điều chỉnh của động cơ là :

11


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ

Mcf = Hằng số.
Vì vậy hệ thống điều chỉnh điện trở phụ roto được ứng dụng rộng rãi trong
cơng nghiệp cho các máy có đặc tính mơ men là hằng số như cần trục,… Đồng thời
cũng được ứng dụng để khởi động các động cơ roto dây quấn , đặc biệt các động cơ
công suất lớn : máy nghiền, quạt máy nghiền,…. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình
1.3

Hình 1.3 - Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ
1.2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số thay đổi
1.2.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là
truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của

ng̀n cung cấp có thể điều chỉnh đờng 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. Phương pháp điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng. Khi giả thiết điện
áp hoặc dịng điện được điều khiển có dạng hình sin, biên độ và tần số được điều
chỉnh, không liên quan đến vị trí khơng gian của véctơ điện áp và dòng điện.

12


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển véctơ. Kỹ thuật điều khiển vô
Volts
không đổi (Constant Volts/Hertzs Hertz

hướng thường được cài đặt trong thực tế là

CVH) nghĩa là biên độ điện áp stato được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ
thơng stato khơng đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay
của stato bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp.. Hệ thống điều khiển đơn
giản chỉ duy nhất u cầu phản hời tốc độ. Tín hiệu tốc độ thực M sẽ so sánh với tín
hiệu tốc độ đặt  M* , sai số tốc độ được đưa vào bộ điều khiển tốc độ trượt (slip
controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn  sl* . Tín hiệu này cộng với M tạo ra tín
hiệu tốc độ đồng bộ, qua khối tỉ lệ 1/2π tạo tần số đúng yêu cầu cung cấp cho biến
tần. Khâu luật điều khiển tần số (U/f) tạo ra tín hiệu điện áp chuẩn điều khiển bộ biến
tần.

Voltage
controller
Slip Controller

 *M

 M

 * S1

 * Syn

M

M

P/2

Dc supply
Voltage

VS*

*

Inverter

motor

M
Speed
sensor

Hình 1.4- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng.
1.2.2.2.

Nguyên lý điều khiển tần số :

Tốc độ đồng bộ động cơ :
1 =

2f
p

hoặc

n1 =

60f
p

13

(1-1)


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Như vậy khi thay đổi tần số, tốc độ đồng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động
cơ :  = 1 (1 − s) sẽ thay đổi. Khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm
bảo chỉ tiêu năng lượng cao và động cơ khơng bị bão hịa từ.
Quan hệ U1(f) gọi là qui luật điều khiển tần số. Trong thực tế hai qui luật điều
khiển tần số được sử dụng rộng rãi là : Qui luật điều khiển tần số cơ bản và luật điều

khiển từ thông khe hở không đổi.
a. Qui luật điều khiển tần số cơ bản :
-

Nội dung : Điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không
đổi với mọi tần số khác nhau :
=

M th
= const f
Mc

(1-2)

Biểu thức của qui luật tần số cơ bản ở dạng tổng quát khi coi điện trở stato
bằng không (R1 =0) :
U1 U1dm
=
f
f dm

Mc
M cdm

(1-3)

Quan hệ U1(f) phụ thuộc vào đặc tính mơ men cản. Trong thực tế có 3 dạng mơ
men cản : Mc = hằng số; Mc≡ 1/ω ; Mc≡ω 2 tương ứng có 3 luật điều khiển tần số :
+ Mc = hằng số ;

+ Mc≡ 1/ω ;

+ Mc≡ω 2 ;

U1
f

U1 U1dm
=
= Const
f
f dm
= Const

U1
= Const
f2

14


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ

Hình 1.5- Đặc tính động cơ có cơng suất trung bình và nhỏ với luật U/f = const
Tuy nhiên trong thực tế R1 ≠ 0 nên khả năng quá tải sẽ giảm khi tần số giảm,
thể hiện thông qua sự giảm của mô men tới hạn khi tần số giảm.
M th =

 U 12


2

  f 2

R 
 R 

4   1  +  1  + 4 2 L2n  

  f 
 f 


3p





(1-4)

Ở vùng tần số cao ( xung quanh tần số định mức) , momen tới hạn có trị số gần
như không phụ thuộc tần số nếu tỉ số R1/f nhỏ. Khi tần số giảm , từ thông khe hở sẽ
giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổỉ mọi tần số; kết
quả là momen tới hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ giảm nhanh ở vùng tần số thấp , ví
dụ nhỏ hơn 10Hz. (hình 1.5).
Do điện trở stato khơng thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng điện
định mức sẽ không đổi khi giảm tần số , trong khi sụt áp trên điện kháng giảm theo
tần số. Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng lớn
đến từ thông khe hở.

15


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ

Vì vậy trong ứng dụng thực tế, tỉ lệ điện áp - tần số thường được tăng lên ở vùng
tần số thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato . Trên hình 1.6 là các dạng đặc tính điện
áp - tần số đã hiệu chỉnh ở vùng tần số thấp.
Us
Usđm
(2)
Ub

(1)

U0
fb

fđm

fs

Hình 1.6- Đặc tính U(f) lý tưởng (1) và thực tế(2)
Trị số Uo được chọn tùy thuộc đặc tính phụ tải của động cơ. Với phụ tải động cơ
yêu cầu momen khởi động lớn, điện áp Uo được điều chỉnh để dòng điện động cơ lớn
ở tần số zero (thời điểm đầu tiên của quá trình khởi động). Nhưng trị số U o lớn có thể
làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp do mức độ
làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể. Với phụ tải quạt gió, momen động cơ
ở tốc thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần số có thể giảm nhỏ để mức độ phát nóng động cơ

bé nhất. Trong các hệ thống truyền động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp
có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải.
b. Luật điều khiển từ thơng khe hở không đổi :
Để khắc phục nhược điểm của luật điều khiển U/f = hằng số, trong thực tế, các
bộ biến tần công nghiệp được cài đặt luật điều khiển từ thông khe hở không đổi. Điều
khiển từ thông khe hở không đổi , động cơ không đồng bộ có khả năng sinh momen
lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng , ngay cả ở dải tần số thấp khi ảnh hưởng của điện
trở stato lớn. Để duy trì được từ thông khe hở không đổi trong dải tốc độ rộng, sức
điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số stato thay cho phương pháp điều
chỉnh tỉ lệ điện áp- tần số không đổi :
Sức điện động stato Es được tính theo cơng thức :
16


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Es = s.m.Kw .N1 / 2 = 4,44 Kw .fs.N1.m = K.mf
Từ đó suy ra :  m =

(1-5)

Es
Kf

Do đó nếu điều khiển tần số sao cho tỉ lệ Es/f là hằng số, có thể giữ được từ
thơng khe hở khơng đổi. Do đó điều khiển từ thơng khe hở không đổi sẽ đồng
nghĩa với điều chỉnh tỉ số Es/s không đổi. Nếu mạch từ động cơ không bão hịa và
Lm là hằng số, từ thơng khe hở sẽ tỉ lệ với dịng từ hóa. Trong thực tế dịng điện từ hóa
có thể duy trì ở trị số định mức ( tương ứng với điện áp , tần số định mức và phụ tải
định mức). ở chế độ non tải, dịng điện từ hóa sẽ có giá trị lớn tương đối so với giá trị

ở chế độ làm việc bình thường của động cơ. Khi điều khiển từ thông khe hở không đổi
, tức là tỉ số Es /s khơng đổi, dịng điện roto , do đó mơ men động cơ là hàm của tốc
độ trượt sl và không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp như minh họa trên hình
1.7 . Trong trường hợp này, từ thơng khe hở được duy trì ở giá trị ứng với chế độ
không tải và điện áp , tần số định mức. Momen tới hạn ở mọi tần số sẽ có giá trị
khơng đổi và động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở cả dải điều chỉnh tốc độ.
Trong thực tế, luật điều khiển từ thông khe hở không đổi được thực hiện điều khiển
U(f). ở điều kiện từ thông khe hở không đổi, sức điện động stato E s tỉ lệ với tần số
stato , sụt áp trên dây quấn stato phụ thuộc vào tần số stato và dịng điện stato. Do đó
điện áp stato cần thiết để duy trì từ thơng khe hở khơng đổi sẽ là hàm của tần số và
dòng điện phụ tải Is .

17


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khụng ng b

200

50 Hz

150

40 Hz

Tốc độ (rad/s)

100

30 Hz

20 Hz

50

10 Hz
0
-50
-100
-150

0

5

10

15

20

25

30

Mô men (Nm)

Hình 1.7- Đặc tính động cơ khi điều khiển từ thông khe hở không đổi.
❖ Nhận xét:
Ta thấy rằng, điều khiển U/f thích hợp cho các ứng dụng mà khơng địi hỏi sự đáp
ứng nhanh về mơmen, từ trường hay tốc độ. Một số ứng dụng đòi hỏi phải có đáp ứng

quá độ nhanh, do đó hệ thống điều khiển U/f khơng thích hợp.
Trước đây do sự hạn chế về kỹ thuật và thiết bị, hệ thống dùng động cơ DC được
sử dụng. Với sự phát triển về thiết bị và lý thuyết điều khiển véctơ hiện nay, ĐCKĐB
được sử dụng để thay thế động cơ DC cho các ứng dụng địi hỏi đáp ứng nhanh.
Mơ hình ĐCKĐB ở trạng thái xác lập bỏ qua sự quá độ khi thay đổi tải và thay đổi
tần số stato. Những đại lượng này sẽ tăng rất nhanh đối với ứng dụng truyền động có
tốc độ thay đổi.
Với những ứng dụng có mô men thay đổi nhanh, điều khiển U/f hay nối ng̀n
trực tiếp sẽ khơng cho chất lượng tốt. Khi đó cần thiết phải biết tốc độ hay từ thông và
bộ điều khiển có chất lượng cao, do đó điều khiển véctơ là sự lựa chọn hoàn hảo thay
thế cho luật điều khiển U/f.

18


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

1.2.2.3. Phương pháp điều khiển véctơ
❖ Nguyên lý điều khiển vectơ
Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ
tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Sự tương tự của các phương pháp điều
khiển đó được trình bày trên hình 1.8 :
I-

Ikt

I *ds

+

Mạch ĐK
U-

ĐM

I *qs

CKT

ĐK

và NL
M=KmrIqs=Km IdsIqs
'

_
M=KI- = K'IktI-

a/ H ĐK một chiều

b/ Hệ ĐK véctơ

Hình 1.8- Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều
và điều khiển vectơ.
Ở động cơ một chiều, bỏ qua phản ứng phần ứng và giả thiết mạch từ khơng bão
hồ , mơmen động cơ một chiều được tính như sau:
M = KIu = K'IkIu

(1-6)

Trong đó: Ik, Iu – Tương ứng là dịng điện kích từ và dịng điện phần ứng.
 - Từ thơng động cơ.
Dịng điện phần ứng và dịng điện kích từ hoặc từ thơng khơng phụ thuộc nhau.
Do đó có thể điều khiển độc lập dịng điện kích từ và dịng điện phần ứng để đạt
được đặc tính mơmen tối ưu. Duy trì dịng điện kích từ khơng đổi, mơmen được điều
chỉnh bằng điều chỉnh dịng điện phần ứng .
Phương pháp điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu sử
dụng khái niệm vectơ không gian. Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dịng
điện của động cơ và mơ tả động cơ ở hệ toạ độ quay với tốc độ đồng bộ s (hệ trục
0dq), các đại lượng dòng điện , điện áp , từ thơng là các đại lượng một chiều. Vectơ
dịng điện có thể tách ra hai thành phần trên hai trục vng góc d và q : I ds và Iqs .
19


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Bằng chọn trục d trùng với từ thông rơto, phương trình mơmen động cơ sẽ viết như
sau :
M = KM.r.Iqs = K'M.Ids.Iqs

(1-7)

Như vậy nếu điều khiển độc lập các thành phần dịng điện trên hai trục vng
góc của hệ toạ độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rơto thì vấn đề điều khiển động
cơ khơng đờng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều. ở đây thành phần dịng
Ids đóng vai trị tương tự như dịng điện kích từ động cơ một chiều I k và thành phần
dòng Iqs tương tự như Iu . Phương pháp điều khiển tách rời hai thành phần dòng điện
stato có thể được minh họa bằng các đờ thị pha như ở hình 1.9:

Iqs1 Iqs2

s1
Ids

q

Iqs
is1
Ids1 s1
Ids2
s2

s2
is1

r

q

is2

is2

r

s
d

s
d

a. Điều chỉnh thành phần mơ men

b. Điều chỉnh thành phần từ thơng

Hình 1.9- Đồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ.
Thành phần dòng điện stato trên trục q (Iqs ) là thành phần sinh mômen và sẽ tương
ứng với công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs .Iqs .
Thành phần dòng điện trên trục d (Ids ) là thành phần sinh từ thông và tương ứng
với thành phần công suất phản kháng truyền qua khe hở Uqs .Ids .
Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi một cách độc lập nhau.
Với đờ thị hình 1.9a, thành phần Ids được duy trì khơng đổi tương ứng là từ
thơng rơto được duy trì khơng đổi, mơmen động cơ sẽ thay đổi khi thay đổi thành
phần Iqs ( từ Iqs1 đến Iqs2 ). Kết quả là vectơ dòng điện is sẽ thay đổi từ is1 đến is2 .
Rõ ràng là trong trường hợp này cả biên độ và góc của vectơ dòng điện stato được

20


Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ

thay đổi. Tương tự với sơ đờ hình 1.9 b, thành phần Iqs được duy trì khơng đổi ,
thay đổi thành phần Ids sẽ làm thay đổi độ lớn và góc của vectơ dịng điện stato.
Sơ đờ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ - động cơ khơng đờng bộ được
trình bày trên hình 1.10. Bằng hai phép biến đổi toạ độ ( abc / ) và ( / dq ) với
góc quay từ trường s , các thành phần I*qs và I*ds được biến đổi thành các thành phần
đặt dòng 3 pha và điểu khiển BBT PWM .

I*ds

i*s

(a,b,c)

(,)
*
qs

I

i *a

(,)

(d,q)

s

i

BBT

ĐK
PWM

PWM

i *c

*
s

ĐK

BBT
ĐKVT

Hình 1.10- Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vectơ - động cơ không đồng bộ
Như vậy để thực hiện điều khiển vectơ cần phải xác định chính xác góc quay của
từ trường. Theo nguyên lý xác định góc quay từ trường phân làm hai phương pháp
điều khiển vectơ :
*

Phương pháp điều khiển trực tiếp , đề xuất bởi F. Blashke.

*

Phương pháp điều khiển gián tiếp , đề xuất bởi K. Hasse.
a) Phương pháp xác định trực tiếp :
Nguyên lý ĐKVTTT dựa trên phương pháp xác định trực tiếp góc quay từ

trường s từ các thành phần từ thông khe hở hoặc từ thông rơto trên hai trục của hệ
toạ độ vng góc của hai trục  :
  r 
s = arctg 

  r 

hoặc r =

2 r + 2r

; cos s =

(1-8)
 r
r

21

;

sin s =

 r
r

(1-9)