TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
NGHÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
MÔN : TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

ĐỀ BÀI : ĐỀ 36: Cho một hệ truyền động động cơ – xe. Xây dựng bộ điều
khiển tốc độ xe bám theo tín hiệu đặt sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha

Giáo viên hướng dẫn : TRẦN TIẾN LƯƠNG
Sinh viên

: LÊ HỒNG ANH

Msv

: 39147

Nhóm

: NO1

Hải phịng,năm 2013
1


Mục lục
Chương I: Tổng quan và phân tích yêu cầu công nghệ
1.1.Giới thiệu chung
1.2.Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.3 Nguyên lý làm việc
1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Chương 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
2.1.Cấu trúc điều khiển động cơ khơng đồng bộ xoay chiều 3 pha
2.2.Mơ hình tốn động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha
2.3.Tổng hợp các bộ điều khiển
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG TRÊN SIMULINK
3.1.Mơ phỏng trên Simulink

2


Chương I: Tổng quan và phân tích u cầu cơng nghệ
1.1.Giới thiệu chung
Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực
khác nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản
xuất. Trong thế kỷ XIX đã lần lượt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều
và động cơ xoay chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ
thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay
chiều, cịn khoảng 20% truyền động điện có u cầu cao về điều chỉnh tốc độ
dùng động cơ một chiều. Điều này hầu như đã được thế giới coi như là một quy
luật phân bổ hiển nhiên. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù
đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó
bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của
thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước công
nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ
động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn
năng lượng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy
đã đạt được thành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền
động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ

điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành cơng nghiệp đã có trào lưu
thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh
tốc độ động cơ xoay chiều.
1.2.Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha
1.2.1. Định nghĩa
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc độ quay của
rotor khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy.
3


H1.1: Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc
1.2.2. Cấu tạo
a)Phần tĩnh (Stato)
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi sắt và dây quấn
*Vỏ máy
Vỏ máy làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép Stator,vỏ có dạng trụ
rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục máy
và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có cơng suất nhỏ thì vỏ làm bằng nhơm,
máy có cơng suất trung bình và lớn vỏ làm bằng gang.
*Lõi sắt
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn
hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngồi
lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm trịn ép lại. Khi đường kính ngồi lớn hơn
thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại

4


*Dây quấn: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mơ bin
đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stator

b) Phần quay (roto): Gồm có : Lõi thép, trục máy và dây quấn
*Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình trịn và mặt
ngồi được dập thành rãnh để đặt cuộn dây, ở giữ được dập lỗ tròn để lồng trục
máy.
*Trục máy: làm bằng thép tốt, được lồng cứng với lõi thép.Trục được đỡ
bởi hai ổ bi trên hai nắp máy.
*Dây quấn: có hai loại
+ Loại lồng sóc: dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc bằng nhôm
đặt trong các rãnh của rotor, hai đầu được nối với hai vòng ngắn mạch cũng bằng
đồng thau hoặc bằng nhôm.
+Loại dây quấn: dây quấn giống như dây quấn stator và thường được đấu hình
sao.Ba đầu được đưa ra 3 vành trượt bằng đồng trên trục máy, vành trượt này cách
điện với nhau và cách điện với trục máy.
c) Khe hở khơng khí
Vì rotor là một khối trịn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ
rất nhỏ để hạn chế dịng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ
số công suất của máy cao hơn.
5


*Đặc điểm
-Cấu tạo đơn giản
-Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha.
-Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n < n1
Trong đó :
n : tốc độ quay của rô to
n1 : tốc độ quay của từ trường quay
1.2.3 Nguyên lý làm việc
Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ
sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn rotor làm cảm

ứng trên dây quấn rotor một sức điện động e 2, từ đó sinh ra dịng điện i2 chạy trong
dây quấn rotor.
Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stator tạo ra lực điện từ trên
dây dẫn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ n theo chiều quay của
từ trường.
Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stator
n1.Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay stator nên gọi là động cơ
không đồng bộ
Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản
*Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và
tốc độ quay của từ trường quay n1.

6


*Sức điện động
Khi rôto đứng yên :
Khi rôto chuyển động :
Trong đó :
K2 : Hệ số cuốn dây
f20 = f1
f2s = s * f1
W2: số vịng dây
Φm : Từ thơng
*Cơng suất
Công suất điên đưa vào :
Tổn hao điện từ :

∆Pdt


Tổn hao sắt :

∆Pst

Công suất điện từ :
= P1 -

-

Tổn hao do dây quân rô to :
Công suất cơ ở trục :

=

7


Tổn hao do ma sát :
Công suất cơ đưa ra :
P2 =

-

-

-

P2 = P’2 -

-


Hiệu suất :
*Các phương trình cơ bản
+Phương trình đặc tính cơ điện

Với :
+Phương trình đặc tính cơ

8


+Ảnh hưởng của các thơng số đến đặc tính cơ:
+ Ảnh hưởng của điện áp lưới:
Khi điện áp thay đổi thì tốc độ khơng tải lý tưởng và độ trượt tới hạn
khơng đổi cịn mơ men tới hạn thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp lưới.Nếu điện
áp đặt vào động cơ giảm thấp quá có thể làm cho mô men khởi động của động cơ
giảm thấp và động cơ không khởi động được.
+ Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato:
Khi thay đổi điện trở hoặc điện kháng mạch stato thì tốc độ khơng tải lý tưởng
khơng thay đổi cịn độ trượt tới hạn và mơ men tới hạn đều thay đổi.
+ Ảnh hưởng của số đôi cực p:
Khi thay đổi số đơi cực P thì tốc độ khơng tải lý tưởng thay đổi cịn độ trượt
tới hạn và mô men tới hạn đều thay đổi.
+ Ảnh hưởng tần số.
Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi.

Luật điều khiển giữ cho Môment không đổi : M=const

9



Luật điều khiển giữ cho công suất không đổi :P=const

1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
a) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f1
Xuất phát từ biểu thức ω= ω 0 (1-s) = 2Πf1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi
tần số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ.Do máy điện
được thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnh
hưởng đến chế độ công tác của máy.
Vì U1=E1 = 4,444.f1.Ktp1.W1.Ф.10-8 = KФ.f1
Nếu điện áp U1 = Const thì khi f 1 tăng thì từ thơng Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiện
tượng giảm mô men trong máy.Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dịng
điện.Như vậy động cơ sẽ bị q tải về điện.Cịn nếu ta giảm f 1 thì từ thơng Ф sẽ
tăng lên,điều này làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng.
Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta phải thay đổi U1 cho phù hợp nhằm
giữ cho Ф là không đổi.
*Qui luật thay đổi tần số:
Khi điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải là hằng số thì chế độ làm việc
của máy điện sẽ ln được duy trì ở mức tối ưu như làm việc với tải định mức.
Như vậy khi điều chỉnh phải luôn thỏa mãn điều kiện :
Kqt = Mth /Mc=const.
10


Nếu coi r1≈ 0 từ biểu thức của Mth ta có :
2

2

3U 1


3U 1
M th =
=
'
2ω 0 ( x1 f 1 + x 2 f 1 ) 4π ( X + X ' ) f 2
1
2
1
P
M th
3 U 12
U 21
λ=
=
=A. 2
Mc 4 π
f 1 Mc(ω)
( X 1 + X '2 ) f 21
P

Thay thế Mc = f(ω) bằng phương trình đặc tính cơ dạng gần đúng của máy sản xuất
và coi

2 πf 1
(2 π )x x
⇒ M c ( ω ) =M c . dm . x . f 1
p
p
ω ≈ ω0 =

2

Như vậy ta có

λ=

A U1
.
B f ( 2+x )
1

U 21

Do đó để thỏa mãn điều kiện λ =const ta có:

U 21dm
U1

Từ đó suy ra quy luật biến đổi của điện áp:

U dm

f (12+ x )

=

=

√


( 2+ x )

f dm
(

f 12+x

)

( 2+x )

f dm

Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc vào tải:
- Kiểu máy tiện x=-1
- Kiểu máy nâng x=0
- Ma sát nhớt x=1
- Quạt gió x=2
b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp
Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ
Ta có:Mmax≈ C1.U1 2
11


Khi U1 giảm nhỏ hơn U1dm → Mth giảm còn Sth=const
Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị U
cho trước nhờ quan hệ Mu= Mgh.U*2
*Nhược điểm của phương pháp:
- Khoảng điều chỉnh chỉ đến nth
- Máy có thể ngừng quay nếu như giảm quá điện áp

-Khi U1 giảm trong khi đó Mc , Pdt vẫn khơng thay đổi dẫn tới I 2 tăng vì vậy nó ít
được sử dụng trong thực tế.
Để thực hiện việc giảm điện áp đặt vào stato người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu,
điện kháng hay điện trở phụ mắc vào mạch stato.
c) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực
Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc
Khi thay đổi số đơi cực, tốc độ từ trường quay thay đổi dẫn tới tốc độ của roto thay
đổi theo.
=

ω = ω0(1-S)

2 πf 1
p

(1−S )

Để thay đổi số đơi cực thì động cơ phải được chế tạo đặc biệt.Những máy điện
kiểu đó gọi là máy điện đa tốc độ. Số đơi cực có thể được thay đổi bằng hai cách:
-Cách 1 : Dùng hai tổ đấu dây quấn stato riêng biệt, mỗi tổ có số đôi cực riêng
-Cách 2: Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm hai đoạn,thay
đổi cách nối dây giữa 2 đoạn đó sẽ thay đổi được số đơi cực.
Thơng thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ dây
quấn stato.Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đôi cực theo cách hỗn hợp.
12


*Trên thực tế người ta giải quyết như sau:
-Đổi nối tam giác-sao kép: ∆ → YY
-Đổi nối sao -sao kép:

Khi đó:

Y → YY

SthYY=S∆
SthYY=Sth Y
M thYY
M th Δ

=

2
3

M thY 1
=
M thYY 2

M c . cpYY 1
=
M c . cp Δ 2

Mc.cp=Mc.cpYY
Ưu khuyết điểm:
- Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh rộng , không cồng kềnh
- Khuyết điểm : Độ điều chỉnh là nhảy bậc vì p là số nguyên.
e) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto:
-Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn.
-Khi thay đổi điện trở thì tốc độ khơng tải lý tưởng khơng đổi, momen tới hạn
khơng đổi cịn độ cứng của đặc tính cơ thay đổi .

Ưu nhược điểm:
-Ưu điểm: +có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc
-Nhược điểm:+ chỉ điều chỉ theo chiều tốc độ giảm.
+Tổn hao công suất lớn
13


+Không điều chỉnh được khi động cơ không tải.

Chương 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
2.1.Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
2.1.1.Giới thiệu chung
Động cơ xoay chiều 3 pha được dùng trong các hệ truyền động điện xoay
chiều 3 pha nó cùng với sự phát triển và các thiết bị công suất bán dẫn đã càng
ngày càng trở nên phở biến trong các trở nên phổ biến trong các hệ thống và thay
thế dần động cơ 1 chiều
Xét trong 1 hệ truyền động điện vấn đề cần điều khiển là dòng ,moment tốc
độ
-Với nhưng hệ truyền động cũ hay những hệ truyền động của thế kỷ XIX và đầu
XX thì độngcơ 1 chiều đướcử dụng phổ biên điều này có 2 nguyên nhân

14


*Động cơ 1 chiều với moment tỷ lệ với từ thơng và tốc độ tỷ lệ dịng
điệncho phép điều khiển đồng thời vì độc lập 2 giá trị này thế nên có chất lương
điều khiển tốt và điều khiển trơn láng
*Moment khởi động lớn
-Tuy nhiên nhược điểm của nó là phát sinh tia lửu điệntrong quá trình hoat j
động và việc bảo dưỡng tốn kém

-Ban đầu hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha gặp nhiều khó khăn trong việc điều
khiển tốc độ và moment động cơ 1 cach đồng thời .Tuy nhiên việc phát triển kỹ
thuật và mô tả ĐCXCBP trên các hệ αβ hay dq đã làm đơn giản hóa được mơ hình
tốn của động cơ
*Khi được mơ tả trên hệ dq .Động xoay chiều 3 pha sẽ có pt mơ tả tương đương
với động cơ 1 chiều và cũng có một mối quan hê

-Cùng với việc mơ tả ĐCXCBP trên hệ dq .Sự phát triển của biến tần ,bán dẫn đã
cho phép thực hiện lý thuyết này chính vì vậy để điều khiển dịng Isq .Để điều
khiển từ thông người ta điều khiển Isd .Như vậy động cơ dị bộ tiến gần tới lợi thế
điều khiển như động cơ 1 chiều và với ưu thế hơn là bảo dưỡng đơn giản hơn và có
kích thước nhỏ hơn so với động cơ 1 chiều nên nó dần thay thế trong các hệ truyền
động điện.

15


Để thực hiện phương pháp điều khiển vector ,mơ hình DCKDB phải được miêu tả
ở hệ tọa độ từ thông roto (hệ dq) để có đặc tính giống động cơ 1 chiều .Tuy nhiên
trong hệ thống thực ,nguồn điện cung cấp cho động cơ là nguồn hình sin ba pha.Do
đố phải thực hiện phép biến đổi giữa các hệ tọa độ
2.1.2.Ta có cấu trúc điều khiển động cơ dị bộ rơto lồng sóc

2.1.3.Chuyển đổi giũa các hệ tọa độ
16


a,Chuyển đổi giữa hệ tọa độ u,v,w và hệ tọa độ αβ
Isα = Isu
1

Isβ = √ 3 ( Isu + Isv)

b,Chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ u,v,w

Isu = Isα
1
√3
Isv = - 2 Isα + 2 Isβ
1
√3
Isw = - 2 Isα - 2 Isβ

c,Chuyển đổi giữa hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq
17


Isd = Isαcos θs - Isβsin θs
Isq = - Isαcos θs + Isβsin θs

d,Chuyên đổi giữa hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ
Isα = Isdcos θs - Isqsin θs
Isβ = Isdsin θs + Isqcos θs

18


2.2.Mơ hình tốn động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha
Với sự phát triển vượt bậc của vi điều khiển ,hệ thống truyền động xoay
chiều 3 pha đang ngày càng trở nên phổ biến và thay thế cho các hệ truyền động
của động cơ 1 chiều trước đây do có khả năng điều khiển trơn về cả tốc độ và

moomen động cơ
Trong một thời gian dài động cơ một chiều ưu thế là cho phếp điều khiển
trực tiếp từ thông và momen thơng qua hai dịng kích từ và dịng phần ứng. Cịn
trong mơ hình động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha, không tồn tại các tương quan minh
bạch (dịng-từ thơng, dịng- momen) như ở động cơ một chiều. Tuy nhiên ,bằng
vieecj mô tả động cơ dị bộ roto lồng sóc trên hệ tọa độ từ thơng roto đã cho phép
môt ả dẫn tới tương quan giống như với ĐCMC , đạt được các đặc tính điều
khiển ,điều chỉnh tương tự như ĐCMC.
Để xây dựng ,thiết kế bộ điều khiển cần phải có mơ hình mơ tả chính xác đối
tượng điều khiển .Mơ hình tốn học thu được cần phải thể hiện được rõ các đặc
tính thời gian của đối tượng điều chỉnh .Để phục vụ mục đích xây dựng bộ điều
khiển ta có thể đưa ra một số giả thiết sau:
-Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian
-Các tổn hao sắt từ và sự bão hào từ có thể bỏ qua
-Dịng từ hóa và từ trương được phân bố hình sin trên bề mặt khe khí
-Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là khơng đổi
Hệ phương trình cơ bản của ĐCXCBP được mơ tả như sau;
+Phương trình điện áp stator:

19


Trong đố:
Rs:điện trở cuộn dây stator
ψsu, ψsv, ψsw : Từ thơng cuộn dây pha u, v, w.
Khi đó điện áp stator được biểu diễn dưới dạng sau:

+Tương tự ta có vector điện áp viết cho rotor của động cơ với chú ý là rotor lồng là
ngắn mạch:


Trong đó:
Rr: Điện trở quy rotor quy đổi về stator.
0: Veto 0
Phương trình từ thông viết cho stator và rotor như sau:

Do các cuon dây rotor và stator có cấu tạo đối xứng nên tất cả các giá trị điện cảm
là nhue nhau trên mọi hệ tọa độ quan sát.Để hoàn thiện hệ thống mơ tả ĐCXCBP
ta bổ xung them 2 phương trình sau:
20