Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn .........................................................................
Quyết định giao đề tài ..........................................................................................
Lý lịch khoa học .................................................................................................. i
Lời cam đoan...................................................................................................... ii
Lời cảm tạ..........................................................................................................iii
Tóm tắt .............................................................................................................. iv
Mục

lục.............................................................................................................. vi

Danh sách các chữ viết tắt................................................................................. ix
Danh sách các hình............................................................................................. x
Danh sách các bảng .........................................................................................xiii
Chƣơng 1 TỔNG QUAN ................................................................................. 1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu
trong và ngoài nước........................................................................................... 1
1.1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .................................................. 1
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước ....................................... 2
1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu ................................................................... 4
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.................................................................. 3
1.4 Phương pháp nghiên cứu............................................................................. 4
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA RƠTO LỒNG SĨC .......................................................................... 5
2.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha ............................................ 5
2.1.1 Cấu tạo ...................................................................................................... 5
2.1.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 5

2.1.3 Mở máy động cơ khơng đồng bộ ba pha................................................... 7
2.1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha ............................... 8

viii


2.1.5 Ảnh hưởng của tần số nguồn đến đặc tính cơ ......................................... 10
2.1.6 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ ba pha........................................ 11
2.2 Các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ............................................ 12
2.2.1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba
pha .................................................................................................................... 12
2.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha ..... 14
2.2.3 Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn .... 14
2.2.4 Phương pháp điều khiển U/f = const....................................................... 15
2.3 Biến tần ..................................................................................................... 18
2.3.1 Phân loại biến tần .................................................................................... 18
2.3.1.1 Biến tần trực tiếp .................................................................................. 19
2.3.1.2 Biến tần gián tiếp ................................................................................. 19
2.3.2 Cấu trúc cơ bản của một biến tần ........................................................... 20
2.3.3 Phương thức điều khiển độ rộng xung (PWM) ....................................... 22
Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
BẰNG BIẾN TẦN DỰA TRÊN CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ
VECTOR KHÔNG GIAN ............................................................................. 28
3.1 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)............................... 28
3.2 Thành lập vector khơng gian ...................................................................... 28
3.2.1 Tính tốn thời gian đóng ngắt ................................................................. 32
3.2.2 Kỹ thuật điều chế vector không gian ...................................................... 35
3.2.3 Gian đồ đóng cắt các khóa để tạo ra vector Vs trong từng sector .......... 35
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ................................................................... 38

4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống biến tần điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
3 pha ............................................................................................................ 38
4.2 Sơ đồ tổng quan mạch cơng suất................................................................ 40
4.3 Sơ đồ triển khai mạch xung kích................................................................ 43

ix


4.3.1 Sơ đồ mạch nguồn ................................................................................... 44
4.3.2 Sơ đồ mạch lái ......................................................................................... 45
4.4 Sơ đồ mạch encoder ................................................................................... 47
4.5 Sơ đồ mạch cảm biến dòng ........................................................................ 48
Chƣơng 5: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ...................................................... 50
5.1 Mô phỏng biến tần điều khiểu tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha ........ 50
5.1.1 Mơ hình mơ phỏng của biến tần.............................................................. 50
5.1.1.1 Khối điều khiển .................................................................................... 50
5.1.1.2 Khối công suất...................................................................................... 54
5.1.1.3 Khối tải ................................................................................................. 57
5.1.2 Kết quả mô phỏng của biến tần............................................................... 58
5.2 Thực nghiệm biến tần điều khiểu tốc độ động cơ khơng đồng bộ 3 pha ... 61
5.2.1 Mơ hình nhúng của biến tần .................................................................... 61
Chƣơng 6: KẾT LUẬN.................................................................................. 73
6.1 Kết luận ...................................................................................................... 73
6.2 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 74

x

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

DC

Direct Current

ADC

Analog-to-Digital Converter

DSP

Digital Signal Processor

I/O

Input/Output

IGBT

Insulated-Gate Bipolar Transistor

GTO

Gate-Turn-Off thyristor

PI

Proportional-Integral

PWM

Pulse Width Modulation

SVPWM

Space Vector Pulse Width Modulation

THD

Total Harmonic Distortion

CPWM

Carrier Based Pulse Width Modulation

IEC

International Electrotechnical Commission

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Ngun lý làm việc của động cơ khơng đồng bộ ba pha. .................. 6
Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không động bộ ba pha. ................... 8
Hình 2.3: Đường đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ ba pha..................... 9

Hình 2.4: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với
thay đổi điện áp ................................................................................................ 11
Hình 2.5: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const ................................................................................. 18
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp .............................................. 19
Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một biến tần..................................................... 21
Hình 2.8: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung........... 23
Hình 2.9: Nguyên lý điều chế SPWM một pha................................................ 24
Hình 2.10: Nghịch lưu áp ba pha ..................................................................... 24
Hình 2.11: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha ................................................ 25
Hình 3.1: biểu diễn vectơ khơng gian trong hệ tọa độ oxy .............................. 28
Hình 3.2: Các vectơ khơng gian từ 1 đến 6...................................................... 31
Hình 3.3: Trạng thái đóng ngắt của các van .................................................... 32
Hình 3.4: Vectơ khơng gian Vr trong vùng 1 .................................................. 32
Hình 3.5: Vectơ khơng gian Vr trong vùng bất kỳ .......................................... 34
Hình 3.6: Giản đồ đóng cắt linh kiện ............................................................... 35
Hình 3.7: Vectơ Vs trong các vùng từ 0-6 ....................................................... 36
Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi cơng suất ............................................................. 38
Hình 4.2: sơ đồ và dạng sóng điện áp chính lưu cầu1 pha............................... 39
Hình 4.3: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất ..................................................... 41
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý IGBT FGA15N120ANTD .................................... 41
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu.................................................... 42
Hình 4.6: Thi công mạch nghịch lưu ............................................................... 43

xii


Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan mạch tạo xung kích ............................................... 44
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn........................................................... 45
Hình 4.9: Thi cơng mạch nguồn....................................................................... 45

Hình 4.10: Sơ đồ ngun lý mạch lái............................................................... 46
Hình 4.11: Thi cơng mạch lái........................................................................... 46
Hình 4.12: Encoder 256 xung/vịng ................................................................. 47
Hình 4.13 : Sơ đồ ngun lý mạch xử lý tín hiệu encoder............................... 48
Hình 4.14 : Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng .......................................... 48
Hình 4.15: Thi cơng mạch cảm biến dịng ....................................................... 49
Hình 5.1:Mơ hình mơ phỏng tổng quan của biến tần....................................... 50
Hình 5.2: Sơ đồ tổng quan khối điểu khiển vòng hở ....................................... 51
Hình 5.3: Sơ đồ khối SVPWM 2_level và cửa sổ thơng số ............................. 52
Hình 5.4: Sơ đồ tổng quan khối điều khiển vịng kín ...................................... 53
Hình 5.5: Sơ đồ tổng quan khối PID ................................................................ 54
Hình 5.6: Sơ đồ tổng quan khối cơng suất ....................................................... 54
Hình 5.7: Cài đặt thơng số cho khối nguồn AC ............................................... 55
Hình 5.8: Cài đặt thơng số cho khối chỉnh lưu ................................................ 56
Hình 5.9: Cài đặt thơng số cho tụ C ................................................................. 56
Hình 5.10: Cài đặt thơng số cho khối IGBT inverter ....................................... 57
Hình 5.11: Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ 3 pha ..................................... 57
Hình 5.12: Cài đặt thơng số cho khối động cơ khơng đồng bộ 3 pha .............. 58
Hình 5.13: Tốc độ, moment và dòng điện của động cơ ở chế độ vịng hở ...... 59
Hình 5.14: Dạng sóng mơ phỏng tốc độ, moment và dòng điện ở chế độ vòng hở
...................................................................................................................... 60
Hình 5.15: Phân tích phổ dịng điện................................................................. 60
Hình 5.16: Dạng sóng mơ phỏng điện áp dây.................................................. 61
Hình 5.17: Mơ hình lập trình nhúng của biến tần ............................................ 61
Hình 5.18: Sơ đồ bên trong khối rpm_rampUp ............................................... 62

xii


Hình 5.19:Thơng số bên trong khối rpm_rampUp........................................... 63

Hình 5.20: Thiết lập thơng số khối eQEP ........................................................ 64
Hình 5.21: Sơ đồ bên trong khối SVPWM ...................................................... 66
Hình 5.22: Cửa sổ khai báo ePWM ................................................................. 66
Hình 5.23: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thơng số
...................................................................................................................... 67
Hình 5.24: Kết quả thực nghiệm. Tốc độ đặt n = 150 vòng/ phút .................. 68
Hình 5.25: Kết quả thực nghiệm. Tốc độ đặt n = 500 vịng/ phút .................. 69
Hình 5.26: Kết quả thực nghiệm. Tốc độ đặt n = 1450 vòng/ phút ................ 70
Hình 5.27: Đồ thị đáp ứng điện áp và tần số.................................................... 71
Hình 5.28: Dịng điện stator của động cơ khi đặt tốc độ n = 1450 vòng/phút . 72

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3.1: Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vectơ khơng gian
tương ứng ..................................................................................................... 32
Bảng 5.1: Bảng số liệu mô phỏng của bộ biến tần ...................................... 58
Bảng 5.2: Kết quả mơ phỏng vịng hở và vịng kín của bộ biến tần............ 59
Bảng 5.3: Bảng số liệu thực nghiệm của bộ biến tần .................................. 71
Bảng 5.4: Kết quả thực nghiệm vịng hở và vịng kín của bộ biến tần........ 71

xiii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu và kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nƣớc
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong những mạch điều khiển, đo lường, khống
chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp vào khoảng những
năm 70 – 80 của thế kỷ XX. Các kỹ thuật đã không ngừng thay đổi và phát triển cho
đến những năm 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và thành
cơng trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho
những phụ tải, làm các bộ nguồn công suất lớn trong cơng nghiệp…Với ưu điểm là
kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, khả năng về công suất, điện áp, dòng
điện và độ tin cậy ngày càng được cải tiến dần. Và Các thiết bị biến đổi công suất đã
giúp nâng cao hiệu quả quá trình biến đổi năng lượng điện đồng thời ln được cải
tiến và hồn thiện để đáp ứng yêu cầu về chất lượng điện năng. Ngoài các ứng dụng
truyền thống như điều khiển động cơ điện, các bộ nguồn công suất, phạm vi ứng
dụng của bộ biến đổi công suất ngày càng được mở rộng như trong lĩnh vực tự động
hóa cơng nghiệp, lưu trữ năng lượng, và còn được ứng dụng trong truyền tải điện.
Để khắc phục các vấn đề sự hiệu chỉnh hệ số cơng suất, méo dạng sóng hài… thì đã
có nhiều giải pháp được để ra bao gồm: Các bộ lọc thụ động, tích cực, các bộ tụ bù…
nhằm cãi thiện chất lượng điện năng. Các nghiên cứu bộ biến đổi trước đây cho thấy
bên cạnh các chức năng cơ bản của sự chuyển đổi cơng suất thì có một số nhược điểm
như hệ số công suất thấp, năng lượng chỉ chảy theo một chiều và có nhiều sóng hài bậc
cao. Do đó các bộ biến đổi DC/AC PWM (pulse width modulation) có thể khắc phục
được được các nhược điểm trên để bắt kiệp với các yêu cầu đặt ra trong tình hình mới,
nó có nhiều phương pháp điều khiển. Các phương pháp điều khiển cũ và mới bao hàm
một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của lược đồ điều khiển của các bộ biến đổi. Ở
các bộ biến đổi năng lượng điện này các van chuyển mạch nguồn được điều khiển như

HVTH: Đỗ Văn Thành

1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

các transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), các thyristor tắt mở bằng cực cửa
(GTO), hoặc các thyristor điều khiển có cực cửa kết hợp (IGCT) được chứa trong 2
mạch công suất của bộ chỉnh lưu và nghịch để tích cực thay đổi dạng sóng của dịng
điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng hài và do đó chúng cải thiện được hệ số
công suất.
Nghich lưu 2 bậc đã được nghiên cứu rộng rãi. Nó được ứng dụng trong các hệ
truyền động của các dây chuyền sản suất hiện đại, động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto
lồng sóc đang được sử dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu điểm như cấu trúc đơn giản, dễ
chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy và an toàn. Với sự phát triển của lý thuyết điều
khiển và các ngành liên quan làm cho động cơ không đồng bộ 3 pha đang chiếm ưu
thế trong các ngành truyền động nên đề tài luận văn tốt nghiệp “ Điều khiển tốc độ
động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần” được chọn để thay thế cho các mạch
điều khiển cổ điển gây ra nhiều tổn thất trên mạch điều chỉnh. Và Matlab cũng đã
được ứng dụng để nghiên cứu phát triển thêm các kỹ thuật nghịch lưu nhằm cải thiện
các khuyết điểm hiện tại. Kết hợp với card DSP F28355 để lập trình nhúng thì DSP có
hiệu suất rất cao, ít tổn thất công suất không phụ thuộc hoạt động của hệ thống và nó
rất tương thích với Matlab.
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Các bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần. Ứng dụng của chúng
khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện

động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghich lưu
được dùng trong các lò cảm ứng trung tần, bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn
xoay chiều cho các nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển
chiếu sáng và cịn ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn cơng suất phản kháng.
Đối với trong nước:
- Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Thế Anh – Đà Nẵng “ Điều khiển mờ động cơ khơng
đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc” .

HVTH: Đỗ Văn Thành

2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

- Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Thị Trung Tín – Đà Nẵng “ Điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng mạng nowrron thích nghi”
- Luận văn thạc sĩ của Phan Thanh Hoàng Anh về “điều khiển PWM cho bộ nghịch
lưu ghép 2 bậc” ().
Đối với nước ngoài:
- “Speed Control 3

Induction Motor Using Volts Hertz Control Method”

M.S.Aspalli1, Sunil Klshetti1 & P.V.Hunagund2 Tạp Chí Quốc Tế Về Kỹ Thuật Điện
Tử 3/2/2011
Mục tiêu của bài báo là dùng vi xử lý dsPIC30F2010 để kiểm sốt tốc độ động cơ
khơng đồng bộ 3 pha. Kết quả đạt được là đã điều khiển được động cơ có tần số từ 13

Hz đến 50Hz với tốc độ từ 400 rpm đến 1500 rpm cho giá trị khác nhau của tải bằng
phương pháp V/f.
- Bài báo “V/f CONTROL OF INDUCTION MOTOR DRIVE” Devraj Jee, Nikhar
Patel 05/2013.
Bài báo đã điều khiển được tốc độ động cơ theo phương pháp V/f vòng hở và V/f
vòng kín: Việc điều khiển được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm MATLAB để
khảo sát động cơ, khi thay đổi tần số và điện áp cấp cho động cơ theo một tỷ lệ
khơng đổi thì thơng lượng từ thơng khe hở khơng khí khơng đổi. Kết quả đạt được là
mô-men xoắn tối đa của động cơ vẫn không đổi trong phạm vi dưới tốc độ định mức.
1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu
- Tìm hiểu về cấu tạo ngun lý hoạt động và mơ hình tốn học của động cơ khơng
đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc.
- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto
lồng sóc.
- Tìm hiểu lý thuyết điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc
bằng phương pháp vector khơng gian. Từ đó xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực
nghiệm để điều khiển tốc độ động cơ.

HVTH: Đỗ Văn Thành

3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

- Tổng hợp, đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Tìm hiểu bộ nghich lưu 3 pha 2 bậc sử dụng phương pháp PWM.

- Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơ to lồng sóc.
- Tính toán thiết kế phần cứng.
- Nghiên cứu phần mềm MATLAB/Hệ thống nhúng.
- Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc theo
ngun lý V/f.
- Thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc theo
ngun lý V/f trên cơ sở Hệ thống nhúng Card DSP TMS320F28335.
- Kết luận.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Để đáp ứng các mục tiêu đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn đề như
sau:
- Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan về các bộ nghịch lưu 3 pha có điều
khiển, các giải thuật nghịch lưu đã được cơng bố.
- Nghiên cứu và phân tích các phương trình tốn học của động cơ không đồng bộ 3
pha rôto lồng sóc.
- Nghiên cứu và phân tích giải thuật đã chọn.
- Chọn phương án tốt nhất nằm trong khả năng thực hiện.
- Viết chương trình mơ phỏng bằng phần mềm Matlab.
- Lập trình điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc dựa vào
Card DSP TMS320F28335.
- Nhận xét kết quả và đưa ra kết luận.

HVTH: Đỗ Văn Thành

4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA RƠTO LỒNG SĨC
2.1 Tổng quan về động cơ khơng đồng bộ ba pha
2.1.1 Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ 3 pha là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: Dây quấn
sơ cấp nhận điện áp lưới với tần số f1, dây quấn thứ cấp được khép kín. Dây quấn thứ
cấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f2 và nó là hàm của
tốc độ góc rơto

.

Động cơ khơng đồng bộ được chia làm hai loại: Động cơ không đồng bộ rôto dây
quấn và động cơ khơng đồng bộ rơto lồng sóc [2].
Đơng cơ không đồng bộ rôto dây quấn là loại động cơ mà rơto có dây quấn giống
stator, dây quấn 3 pha của rơto thường đấu hình sao, ba đầu cũng được nối với vành
trượt, đấu với mạch ngoài bằng chổi than. Nhờ cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện
trở phụ vào mạch rơto để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ.
Động cơ không đồng bộ rơto lồng sóc thì trên rơto người ta đặt các thanh dẫn bằng
đồng hay bằng nhôm và nối tắt chúng ở hai đầu vòng ngắn mạch.
Cấu tạo gồm hai phần chính:
- Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 và được cấp điện xoay chiều 3 pha
để tạo từ trường quay. Phần cảm đặt ở stator và được nối sao hoặc nối tam giác.
- Phần ứng cũng gồm 3 cuộn dây (đối với rôto dây quấn) và bằng sắt từ có các thanh
dẫn và vịng ngắn mạch ở hai đầu đối với rơto lồng sóc.
Vì động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sóc có cấu tạo đơn giản và hoạt động với
độ tin cậy cao nên thường được sử dụng rộng rãi hơn so với động cơ không đồng bộ 3
pha rôto dây quấn.

HVTH: Đỗ Văn Thành

5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau
1200 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.

Hình 2.1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.

HVTH: Đỗ Văn Thành

6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay của
roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ
gọi là độ trượt s:

Từ đó ta có:
Với

f1 tần số điện áp đặt lên cuộn dây stator.
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:

2.1.3 Mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ không đồng bộ 3 pha lúc làm việc bình thường
phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất tải và tình hình của lưới điện
mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ cũng khác nhau. Có khi u cầu mơment mở
máy lớn có khi u cầu hạn dịng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu
trên đỏi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp.

HVTH: Đỗ Văn Thành

7


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính
năng mở máy khơng thích hợp nên thường gây hỏng động cơ. Nên khi mở máy cần chú
ý các u cầu sau:
- Phải có mơment đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.
- Dịng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng phải đơn giản, tốn ít chi phí và chắc
chắn.
- Tổn hao trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
2.1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện khơng đồng bộ ba pha
 Phƣơng 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 không đổi,
tổng trở mạch từ hóa khơng đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và
điện áp lưới hoàn tồn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ
(2.2).

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không động bộ ba pha.
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)

HVTH: Đỗ Văn Thành

8


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

- 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 khơng đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa
mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
[
⌊(

)

]

⌋

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

Hình 2.3: 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:

Giải phương trình ta có:

HVTH: Đỗ Văn Thành

9


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

√
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
√
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth
và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
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 không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen
mở máy:
⌊(

)

⌋

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

2.1.5 Ảnh hƣởng của tần số nguồn đến đặc tính cơ
Khi thay đổi f1 thì theo (2.4) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị
thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn sth và momen tới
hạn Mth.
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 dòng điện động cơ tăng

HVTH: Đỗ Văn Thành

10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

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:

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm. Ở vùng f1 > f1dm thì khơng thể tăng
điện áp nguồn mà giữ U1 = 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

√
để giữ cho động cơ khơng bị q tải về cơng suất.

Hình 2.4: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với
thay đổi điện áp
2.1.6 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ ba pha
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 khơng 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 không cần điều khiển trừ các

HVTH: Đỗ Văn Thành

11


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

quá 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.
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 cơng suất từ vài chục đến
hàng nghìn KW. Trong công 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 không 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 không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ khơng động bộ là so với máy điện một
chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông 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 thơng và momen của động cơ điện xoay chiều đòi 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 không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây
dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.

HVTH: Đỗ Văn Thành

12


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

2.2 Các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ
2.2.1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi trong
suốt quá 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, dòng khởi động rất lớn. Điều này làm tổn
thất công 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.
Khi chạy khơng tải, dịng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng 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 công 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 công 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

HVTH: Đỗ Văn Thành

13


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

có thể tiết kiệm được 50% công 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, dòng 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.
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.
2.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển 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 hòa
- 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
không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1.

HVTH: Đỗ Văn Thành

14

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

2.2.3 Điều khiển tốc độ động cơ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số nguồn
Như đã biết tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc và tần số nguồn và số đôi cực
từ theo cơng thức:

Mà ta lại có, tốc độ roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo cơng thức:
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 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 cơng
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 thông stato
Φ1, từ thông của roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ.
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 không đổi: λ = Mth/Mc = const
- Luật dịng điện khơng tải khơng đổi: Io = const
Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)
2.2.4 Phƣơng pháp điều khiển U/f = const
Sđđ của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông Φ và tần số f1 theo biểu thức:
̇

HVTH: Đỗ Văn Thành

̇

̇

̇

15


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Từ (2.14) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1=U1, do đó :

Như vậy để giữ từ thơng không đổi ta cần giữ tỷ số U1/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:

⌊(

)

⌋

Với momen tới hạn:

√

(

(

))

Khi hoạt động ở định mức:

⌊(

(

)

√

⌋

)

Ta có cơng thức sau:

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

HVTH: Đỗ Văn Thành

16


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Ta thu được:
U1 = aU1dm

(2.21)

f1 = af1dm

(2.22)

Phân tích tương tụ, ta cũng thu được ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay
các giá trị trên vào (2.16) và (2.17) ta thu được cơng thức tính momen và momen tới
hạn của động cơ ở tần số khác định mức:
[

]

√( )
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 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 (X1 + X’2) >> R1/a, 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 R1/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 U o
để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ sau:
U1 =U0 + Kf1

(2.25)

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f =
fdm. Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữ khơng 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:

HVTH: Đỗ Văn Thành

17