Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



NGUYỄN THỊ THU



ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ





LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÁI NGUYÊN - 2014


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ii
LỜI CAM ĐOAN


Tên học viên : Nguyễn Thị Thu
Sinh ngày : 08 tháng 04 năm 1986
Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Điều khiển trực tiếp
mômen động cơ không đồng bộ” do Tôi tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn của thầy
giáo PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối luận văn, Tôi đảm bảo
không sao chép các công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của ngƣời
khác.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.


Tác giả luận văn




Nguyễn Thị Thu








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iii
LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học - Trƣờng
Đại học KTCN Thái Nguyên, cùng các giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sĩ đã quan tâm
tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi. Đặc biệt, tôi
xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn
ngƣời đã tận tình chỉ bảo và góp ý về chuyên môn cho chúng tôi trong suốt quá
trình làm luận văn.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp - những
ngƣời đã luôn ủng hộ và động viên Tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đƣờng nghiên cứu đầy thách
thức, chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc sự góp ý
của các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!





















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iv

MỤC LỤC


LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ix
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƢƠNG 1 3
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 3
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3
1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 4
1.1.4 Ứng dụng, ƣu và nhƣợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5
1.1.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5
1.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ: 10
1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 10
1.2.2 Đại lƣợng véctơ không gian 16
1.2.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 19
1.3 CHIẾN LƢỢC ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 31
1.3.1 Giới thiệu chung 31
1.3.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f 34
1.3.3 Điều khiển véctơ 38
1.3.4 Giới thiệu nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômem (DTC) 41
CHƢƠNG 2 45
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN 45
2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN 45
2.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 49
2.2.1 Sơ đồ DTC 49
2.2.2 Các bộ điều khiển trong sơ đồ 50
2.3 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

v
2.4 LẬP BẢNG CHỌN VÉCTƠ 52
CHƢƠNG 3 54
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 54
3.1. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG STATOR 54
3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔMEN 54

3.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG PHẢN HỒI 55
CHƢƠNG 4 57
MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 57
4.1. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG: 57
4.1.1 Mô hình mô phỏng 57
4.1.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ 58
4.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUA THÍ NGHIỆM: 69
4.2.1. Các trang thiết bị trong phần thực nghiệm: 69
4.2.2. Kết quả thực nghiệm 72
4.2.3. Đánh giá kết quả: 73
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
























Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

()
ri
it
dòng điện rôto trên pha i.
r
i
dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ rôto.
'
r
i
dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ stator.
()
si
it
dòng điện stato trên pha i.
s
i
dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ stator.

'
s
i
dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ rôto.
m
L
cảm kháng từ hoá của ba pha.
r
L
tổng cảm kháng của ba pha rôto.
r
L
tự cảm của ba pha rôto.
1r
L
cảm kháng rò rôto.
rm
L
cảm kháng từ hoá rôto.
s
L
tổng cảm kháng của 3 pha stator.
s
L
tự cảm của stator.
1s
L
cảm kháng rò stator.
sm
L

cảm kháng từ hoá stator.
f
tần số.
P
số đôi cực.
r
R
điện trở rôto.
s
R
điện trở stator.
s
hệ số trƣợt.
M
Mômen
e
T
hằng số thời gian của mômen điện từ.
sz
TT
hằng số thời gian trích mẫu.
()
ri
ut
điện áp rôto trên pha i.
r
u
điện áp rôto rotor trên hệ toạ độ rôto.
'
r

u
điện áp rôto trên hệ toạ độ stator.
()
si
ut
điện áp stato trên pha i.
s
u
điện áp stato trên hệ toạ độ stator.
'
s
u
điện áp stato trên hệ toạ độ rôto.
()et
sức phản điện động
r
góc pha giữa từ thông rôto so với trục ngang của hệ toạ độ stator
s
góc pha giữa từ thông stator so với trục ngang của hệ toạ độ stator.
m
góc lệch giữa rôto và stator.
r
góc rôto.
s
góc stator.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vii
()

ri
t
từ thông rò trên cuộn rôto i.

r
từ thông rò rôto trên trục toạ độ gắn với rôto.
'
r
từ thông rò rôto trên trục toạ độ gắn với stator.
()
si
t
từ thông rò trên cuộn stator i.
s
từ thông rò stator trên trục toạ độ gắn với stator.
'
s
từ thông rò stator trên trục toạ độ gắn với rôto.

CÁC CHỈ SỐ.

/
các thành phần hoành và tung trên hệ toạ độ gắn với rôto.
/dq
các thành phần hoành và tung rôto trên hệ toạ độ gắn với stator.
/DQ
các thành phần hoành và tung stato trên hệ toạ độ gắn với rôto.
m
từ hoá.
r

rôto.
,,ra rb rc
các pha của rôto.
Ref tín hiệu đặt.
s
stator.
,,sA sB sC
các pha của stator.
/xy
các thành phần tung và hoành trên hệ toạ độ bất kỳ.


















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT
Số hiệu
Nội dung
Trang
1
Bảng 2.1
Bảng chọn chung cho phƣơng pháp điều khiển
trực tiếp mômen
53
2
Bảng 2.2
Bảng chọn véctơ điện áp của nghịch lƣu
53
3
Bảng 2.3
Biến thiên từ thông và mômen ứng với các
véctơ điện áp sử dụng khi véc tơ từ thông ở vị
trí nhƣ hình 2.4b
53
4
Bảng 2.4
Bảng chọn các sector
61
5
Bảng 4.1

Thông số động cơ
68





















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ix


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ


ST
T
Số hiệu
Nội dung
Trang


CHƢƠNG 1

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘTRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ

1
Hình 1.1
Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ
6
2
Hình 1.2
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
8
3
Hình 1.4
Sơ đồ dây quấn tập trung của ĐK
11
4
Hình 1.5
Sơ đồ 3 pha quy đổi về stator của ĐK
13
5
Hình 1.6

Mô hình giải thích cách tính sức điện động rôto
14
6
Hình 1.7
Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực (a)
và các đại lƣợng véctơ (b).
15
7
Hình 1.8
Phân bố mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có
dòng điện
16
8
Hình 1.9
Phân bố mật độ dòng điện tổng từ các dòng điện
pha ias, ibs, ics
17
9
Hình 1.10
Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stator
ở hình 1.6
18
10
Hình 1.11
Biểu diễn véctơ trên hệ trục αβ
20
11
Hình 1.12
Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ
trong hệ trục ,

20
12
Hình 1.13
Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ ,
22
13
Hình 1.14
Mô hình trạng thái của điều khiển trong hệ tọa
độ ,
23
14
Hình 1.15
Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q
24
15
Hình 1.16
Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ d,
q
25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

x
16
Hình 1.17
Sơ đồ cấu trúc của ĐK trong hệ trục tọa độ dq
27
17
Hình 1.18
Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục gắn

với rôto (D,Q)
28
18
Hình 1.19
Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn
với rôto
29
19
Hình 1.20
Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ
gắn với rôto
30
20
Hình 1.21
Phân loại các phƣơng pháp điều khiển
32
21
Hình 1.22
Các dạng đặc tính
36
22
Hình1.23a,b,c
Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ
khi ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh U
và f
37
23
Hình 1.24
Sự tƣơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều
và điều khiển véctơ

39
24
Hình 1.25
Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện:
mômen và kích từ
39
25
Hình 1.26
Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ
thông rôto.
40
26
Hình 1.27
Sơ đồ khối DTC
44

CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP
MÔMEN

27
Hình 2.1
Biểu diễn các đại lƣợng trong hệ trục gắn
với stator
47
28
Hình 2.2
Mô tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần
48
29

Hình 2.3
Sơ đồ khối của DTC
49
30
Hình 2.4
Quỹ đạo véctơ từ thông Stator (a) và véctơ điện
áp sử dụng trong thời gian ∆t và từ thông tƣơng
ứng (b)
51

CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN

31
Hình 3.1
Bộ điều khiển dải trễ hai mức
54
41
Hình 3.2
Bộ điều khiển dải trễ ba mức
54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

xi
42
Hình 3.3
Mô hình dòng điện ƣớc lƣợng tín hiệu mômen
điện từ
55

43
Hình 3.4
Mô hình tính toán từ thông stato và vị trí góc
phần sáu s(x)
56

CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM

44
Hình 4.2
Khối bảng chọn sector
59
45
Hình 4.3
Cấu trúc của khối tính chọn sector
59
46
Hình 4.4
Khối tính sector
60
47
Hình 4.5
Cấu trúc khối tính sector
61
48
Hình 4.6
Khối tính điện áp stator
61
49

Hình 4.7
Cấu trúc khối tính điện áp stator
62
50
Hình 4.8
Khối tính dòng điện stator
62
51
Hình 4.9
Cấu trúc khối tính dòng điện stator
62
52
Hình 4.10
Khối tính thành phần từ thông stator
63
53
Hình 4.11
Cấu trúc khối tính thành phần từ thông stator
63
54
Hình 4.12
Khối tính mômen
63
55
Hình 4.13
Cấu trúc khối tính mômen
64
56
Hình 4.14
Khối tính từ thông stator

64
57
Hình 4.15
Cấu trúc bộ điều khiển PI
65
58
Hình 4.16
Đáp ứng mômen
65
59
Hình 4.17
Đáp ứng từ thông
66
60
Hình 4.18
Quỹ đạo từ thông Stator
66
61
Hình 4.19
Đáp ứng tốc độ
67
62
Hình 4.20
Đáp ứng mômen khi thay đổi mômen đặt
68
63
Hình 4.21
Hệ thống thí nghiệm
70
64

Hình 4.22
Biến tần
70
65
Hình 4.23
Hệ thống thí nghiệm biến tần
71
66
Hình 4.24
Động cơ không đồng bộ rôto lòng sóc sử dụng
tải máy phát một chiều
71
67
Hình 4.25
Tải trở sử dụng trong thí nghiệm
71
68
Hình 4.26
PLC S7 300 thu thập dữ liệu
72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

xii
69
Hình 4.27
Máy tính dùng Win CC vẽ đặc tính đƣợc lấy ra
từ PLC
72
70

Hình 4.28
Đáp ứng tốc độ
73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1
LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong việc điều khiển thiết bị nâng hạ và cẩu
chuyển nhƣ hệ thống cầu trục, cổng trục, cẩu chân đế tại Công ty TNHH MTV
đóng tàu Thịnh Long-Hai Hậu–Nam Định, hiện tại động cơ không đồng bộ rôto
lòng sóc trong hệ thống này đƣợc điều khiển bằng cơ cấu cơ cho nên có rất
nhiều nhƣợc điểm nhƣ tính ổn định, tính chính xác không cao dẫn tới tổn hao
máy móc làm ảnh hƣởng không nhỏ tới kết cấu cụm di chuyển. Điều khiển bằng
phƣơng pháp này còn tổn hao năng lƣợng lớn, độ an toàn cho máy móc và ngƣời
vận hành thấp. Do đó vấn đề đặt ra là phải thay đổi cách điều khiển các động cơ
không đồng bộ trong cơ cấu. Vì vậy, trong luân văn này học viên sẽ thực hiện
việc nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ bằng biến tần theo phƣơng
pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ (DTC).
Mặc dù phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen đã đƣợc phát hiện từ vài
chục năm về trƣớc, song do hạn chế về mặt thiết bị nên các ứng dụng thực tế mới
đƣợc phát triển ít năm trở lại đây.
Lợi thế của DTC là rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống không dùng
cảm biến tốc độ (Sensor less System). Tuy nhiên, vấn đề đập mạch mômen điện
từ lại gây ra một số nhƣợc điểm nhất định. Hƣớng nghiên cứu của đề tài nhằm
nghiêm cứu, phân tích kỹ về nguyên lý và mô phỏng hệ thống cũng nằm trong
xu hƣớng nghiên cứu chung, do đó đề tài có tính cấp thiết. Kết quả thực hiện đề
tài góp phần nâng cao năng lực học viên trong việc làm chủ thiết bị tại công ty
TNHH MTV đóng tàu Thịnh Long - Hải Hậu – Nam Định.

2. Mục tiêu của đề tài:
Trong luận văn này đề cập đến hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC).
Luận văn sẽ phân tích và giải thích ngắn gọn về nguyên lý DTC. Thiết lập
các bộ điều khiển chính (Từ thông stator và mômen động cơ) và lập các mô hình
ƣớc lƣợng các biến đầu ra nhằm tạo thành một phần “lõi DTC” (DTC core). Các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
mô phỏng và thực nghiệm sẽ đƣợc thực hiện để đánh giá tính đúng đắn của luận
văn.
Trong khuôn khổ thời gian cho phép luận văn đã đề cập đến các vấn đề sau:
Chương 1 : Mô hình động cơ không đồng bộ trong các không gian
véctơ
Chương 2: Nguyên lý điều khiển trực tiếp mô men.
Chương 3: Thiết kế điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, song không thể
tránh khỏi có thiếu sót. Vậy kính mong đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô và đóng
góp ý kiến cuả các đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, ngƣời đã trực tiếp
tận tình hƣớng dẫn và chỉ bảo cho Em trong suốt quá trình làm đề tài. Cảm ơn
các thầy cô tại trung tâm thực nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp
Thái Nguyên đã giúp đỡ em về tài liệu khoa học và hƣớng dẫn thực hành thí
nghiệm tại Trung tâm thực nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng 2 năm2014.
Học viên thực hiện




Nguyễn Thị Thu






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
CHƢƠNG 1
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN
VÉCTƠ
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ
Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên
cứu ảnh hƣởng của từ trƣờng dòng điện. Một năm sau đó, Michael Faraday đã
khám phá ra trƣờng điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời. Faraday tiếp
tục khám phá ra cảm ứng điện từ vào năm 1831 nhƣng phải đến năm 1833 thì
Tesla mới phát minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều. Ngày nay, các động
cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều,
động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Cho đến
ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của
Oersted, Faraday và Tesla.
Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và
phần rôto quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ
rôto dây quấn và Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc (ngắn mạch)

1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rôto (phần quay).
1. Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.
a. Vỏ máy: Thƣờng làm bằng gang. Đối với máy công suất lớn (>1000kW)
thƣờng dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố định và không
dùng để dẫn từ
b. Lõi sắt: Đƣợc làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm ghép
lại. Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trƣờng qua lõi sắt là từ trƣờng xoay chiều nhằm
giảm tổn hao do dòng xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có sơn cách
điện. Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn
c. Dây quấn: Dây quấn đƣợc đặt vào các rãnh lõi sắt và cách điện với lõi sắt.
Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120
0
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4
2. Rôto: Trục, lõi sắt và dây quấn
a. Trục: Làm bằng lói thép để đỡ lõi sắt rôto.
b. Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống nhƣ ở stator. Lõi sắt đƣợc ép trực
tiếp lên trục. Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
c. Dây quấn: Gồm 2 loại rôto dây quấn và rôto lồng sóc.
+Rôto dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator. Dây quấn 3 pha rotor thƣờng
đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trƣợt làm bằng đồng đạt cố định ở 1 đầu trục
và qua chổi than có thể đƣa điện ra ngoài. Có thể thông qua chổi than đƣa điện
trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện mở máy, điều chỉnh
tốc độ, hệ số công suất. Bình thƣờng làm việc dây quấn rôto nối ngắn mạch.
+Rôto lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sắt đƣợc đặt 1 thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng
nhôm và đƣợc nối tắt ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm thành 1

cái lồng ngƣời ta gọi đó là lồng sóc. Dây quấn rôto lồng sóc không cần cách điện
với lõi sắt.
3. Khe hở: Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm).
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
Khi đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stator,
khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trƣờng quay mà thành phần bậc 1
của từ trƣờng này quay với tốc độ góc là:

1
2 f
p
(1.1)
trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator
p là số đôi cực của dây quấn stator.
Đồng thời từ trƣờng Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong
các thanh dẫn Rôto (đối với loại rôto lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rôto (đối với
loại Rôto dây quấn). Các dòng điện Rôto này đặt trong từ trƣờng Stator quay
nên sinh ra lực điện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra mômen quay Rôto,
Rôto quay cùng hƣớng với từ trƣờng Stator quay.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5
Lúc đầu khi từ trƣờng Stator đã sinh ra thì Rôto tăng tốc nhanh để cố gắng
bắt kịp từ trƣờng quay đó, đồng thời từ trƣờng quay quét qua Rôto càng giảm
nên sức điện động cảm ứng phía Rôto sẽ giảm dần và dòng điện Rôto cũng giảm
theo.
Nếu tốc độ Rôto bằng tốc độ từ trƣờng quay thí lúc đó sẽ không có lực
điện từ đƣợc sinh ra và rôto quay chậm lại. Do đó tốc độ Rôto không thể bằng

tốc độ đông bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi
cực của động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trƣợt.
1.1.4 Ứng dụng, ƣu và nhƣợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều
ba pha
Các động cơ không đồng bộ có ƣu điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất đƣợc
dễ dàng, dễ bảo dƣỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại
động cơ đƣợc sử dụng rộng rãi. Chúng có Mômen quán tính và trọng lƣợng nhỏ,
hiệu suất cao, khả năng quá tải lớn và vững chắc. Ngoài ra các động cơ không
đồng bộ có thể làm việc trong các môi trƣờng khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng
không có khả năng đánh lửa. Do những ƣu điểm này mà động cơ không đồng bộ
đƣợc ƣu tiên quan tâm tìm hiểu nhƣ bộ biến đổi năng lƣợng điện cơ.
Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhƣợc điểm, nhƣ tốc độ của chúng
phụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc
năng lƣợng cơ lại yêu cầu các tốc độ có thể thay đổi đƣợc. Chúng có thể chạy ở
tốc độ gần bằng hằng số đối với tải và từ không tải tới đầy tải. Điểu này không
giống nhƣ các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó
khăn để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mômen và từ thông.
Để nâng cao hiệu suất sử dụng thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay
đổi tốc độ có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể
thay đổi đƣợc, nên bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều.
1.1.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trƣớc hết ta phải hiểu rõ mô hình
động học của nó. Một phƣơng pháp điều khiển tốt phải đáp ứng đƣợc sự thay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6
đổi của công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ
đáp ứng đƣợc vấn đề đó. Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp ứng đủ các
hiệu ứng động học quan trọng xảy ra trong cả quá trình dừng và quá trình quá

độ. Nó cũng phải đáp ứng đƣợc cho bất cứ sự thay đổi nào của nguồn cấp biến
tần nhƣ là điện áp hay dòng điện.
Để cho đơn giản, ta coi động cơ không đông bộ có những đặc điểm sau:
Ba cuộn dây cuốn đối xứng nhau.
Bỏ qua ảnh hƣởng của khe hơ không khí.
Độ từ thẩm của phần sắt là cao.
Mật độ từ thông trong khe hở không khí là hƣớng tâm.
Bỏ qua tổn hao sắt.
a, Sơ đồ thay thế












Hình 1.1. Sơ đồ thay thế đông cơ không đồng bộ(ĐK)
Đối với động cơ không đồng bộ có một số sơ đồ thay thế nhƣ: sơ đồ thay thế
hình T hoặc hình .Ở trên là sơ đồ thay thế hình của động cơ không đồng bộ.
Trong sơ đồ thay thế trên ta có :
U
1
là trị số hiện dụng của điện áp pha stator
I
0

, I
1
, I
2
: là các dòng điện từ hoá, dòng stator, dòng rôto quy đổi về stator.
x1 x'2
xo
10k
ro
r1
I
o

I
1

I
2

r’
2
/s
o
o
U
1





o


r
f

ĐK
o

o
U
1
~
I
1

I
2








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7
X

0
, X
1
, X
2
: là điện kháng tản mach từ hoá, stator, rôto đã quy đổi về stator.
R
0
, R
1
, R
2
: là điện trở của mạch từ hoá, cuộn dây stator, của rôto đã quy đổi về
stator.
S: hệ số trƣợt của động cơ.

1
1 m
s
(1.2)
với
1
là tốc độ góc của từ trƣờng quay hay tốc độ đồng bộ
m
là tốc độ góc của động cơ
b, Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập.
Từ giản đồ thay thế ta tính đƣợc:
11
22

22
2
00
1
11
'
()
nm
IU
R
RX
RX
s
(1.3)
trong đó X
nm
=X
1
+X
2
‟
điện kháng ngắn mạch.
mặt khác ta cũng tính đựoc dòng điện rôto quy đổi về stator nhƣ sau:
Từ điều kiện cân bằng công suất của động cơ ta có phƣơng trình mômen động
cơ có dạng nhƣ sau:

22
12
2
3

2
11
3'
'
nm
UR
M
R
R X s
s
(1.5)
Từ đó ta có đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.





2
21
2
2
1
1
2
)'()
'
(
'
xx
S

r
r
U
I
(1.4)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8












Hình 1.2. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Ta có độ trƣợt tới hạn đƣợc tính nhƣ sau:
'
2
22
1
th
nm
R

s
RX
(1.6)
từ đó ta có mômen tới hạn:
2
1
22
1 1 1
3
2
th
nm
U
M
R R X
(1.7)
dấu (+) ứng với trƣờng hợp động cơ không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ,
dấu ( – ) ứng với khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát
c, Các phƣơng trình điện áp.
Ở trên ta đã nghiên cứu xây dựng mô hình cũng nhƣ xác định đặc tính cơ của
động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập. Để thể hiện rõ tất cả các ảnh hƣởng
xuất hiện trong chế độ xác lập cũng nhƣ chế độ quá độ ta tiếp tục nhƣ sau:
Điện áp của stator đƣợc viết trên hệ tọa độ gắn với trục động cơ. Theo cách
này, điện áp rôto đƣợc viết trên hệ toạ độ quay gắn với rôto.
Ta có thể biểu diễn phƣơng trình trong hệ tọa độ tĩnh nhƣ sau:

()
( ) ( )
sA
sA s sA

dt
u t R i t
dt
(1.8.1)
M
M
th

M
dm

s
th
ω

ω
1

+s

+s
0

+s

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9
()
( ) ( )

sB
sB s sB
dt
u t R i t
dt
(1.8.2)
()
( ) ( )
sC
sC s sC
dt
u t R i t
dt
(1.8.3)
Các biểu thức tƣơng tự cho rôto:
()
( ) ( )
ra
ra r ra
dt
u t R i t
dt
(1.9.1)
()
( ) ( )
rb
rb r rb
dt
u t R i t
dt

(1.9.2)

()
( ) ( )
rc
rc r rc
dt
u t R i t
dt
(1.9.3)
Giá trị từ thông tức thời của stator đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
24
( ) cos cos( ) cos( )
33
sA s sA s sB s sC sr m ra sr m rb sr m rc
t L i M i M i M i M i M i
(1.10.1)
42
( ) cos( ) cos cos( )
33
sB s sA s sB s sC sr m ra sr m rb sr m rc
t M i L i M i M i M i M i
(1.10.2)
24
( ) cos( ) cos( ) cos
33
sB s sA s sB s sC sr m ra sr m rb sr m rc
t M i M i L i M i M i M i
(1.10.3)
Giá trị tức thời của từ thông rôto đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

24
( ) cos( ) cos( ) cos( )
33
ra sr m sA sr m sB sr m sC r ra r rb r rc
t M i M i M i L i M i M i

(1.11.1)
42
( ) cos( ) cos( ) cos( )
33
rb sr m sA sr m sB sr m sC r ra r rb r rc
t M i M i M i M i L i M i
(1.11.2)

24
( ) cos( ) cos( ) cos( )
33
ra sr m sA sr m sB sr m sC r ra r rb r rc
t M i M i M i M i M i L i
(1.11.3)



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10
Kết hợp tất cả các phƣơng trình trên ta có ma trận sau:
2
1
12

21
12
cos
cos
cos
cos cos cos
cos cos cos
cos cos cos
s s s s
sr m
sA
s s s s
sr m
sB
sC s s s s
sr m
ra
sr m sr m sr m
rr
rb
sr m sr m sr m
rc
sr m sr m sr m
R pL pM pM
pM
u
pM R pL pM
pM
u
u pM pM R pL

pM
u
pM pM pM
R pL
u
pM pM pM
p
u
pM pM pM
12
2
cos cos
cos cos
cos cos
.
sr m sr m
sA
sr m sr m
sB
sC
sr m sr m
ra
rr
rb
r r r r
rc
r r r r
pM pM
i
pM pM

i
i
pM pM
i
pM pM
i
M R pL pM
i
pM pM R pL
(1.12)
1.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN
VÉCTƠ
1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở rôto và stator, các dây
quấn là đối xứng và đƣợc bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không
khí có dạng hình sin, gọi k là tên dây quấn thì ta có phƣơng trình điện áp nhƣ
sau:
k
k
kkk
e
dt
d
iRu

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn
k
kjkk
iL


Mômen điện trở của động cơ :
m
k
k
k
d
d
iM .
2
1

Đặt a
s
, b
s
, c
s
, a
r
, b
r
, c
r
là tên gọi của dây quấn stator và rôto:
k=a
s
/b
s
/c
s

/a
r
/b
r
/c
r

j= a
s
/b
s
/c
s
/a
r
/b
r
/c
r

Đặt L: điện cảm chính của các dây quấn pha stator
L : điện cảm tản
N
s
: số vòng dây một pha stator
N
r
: số vòng dây một pha rôto

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


11

m
: vị trí góc của dây quấn rôto
Thì có thể viết đƣợc 6 phƣơng trình điện áp cho ĐK nhƣ sau nếu mạch từ
còn chƣa bão hòa (điện cảm là hằng)
i
as
i
cs
i
bs
ω

θ
m
U
bs
U
cs
U
as
R
e
i
ar
i
br
i

cr
U
ar
U
cr
U
br

Hình 1.4.Sơ đồ dây quấn tập trung của ĐK
as as 1 1 ar
bs 1 bs 1 ar
cs 1 1 c
1 1 2 2
( ) os( ) os( ) os( )
2 2 3 3
1 1 2 2
( ) os( ) os( ) os( )
2 2 3 3
11
()
22
s s bs cs m m m m br m m cr
as s s cs m m m m br m m cr
as bs s s
U R sL i sLi sLi sL c i sL c i sL c i
U sLi R sL i sLi sL c i sL c i sL c i
U sL i sLi R sL i
s ar
ar as ar 2 2
bs as 2

22
os( ) os( ) os( )
33
2 2 1 1
os( ) os( ) os( ) ( )
3 3 2 2
2 2 1
os( ) os( ) os( ) (
3 3 2
m m m m br m m cr
m m m m bs m m cs r r br cr
m m m m bs m m cs ar r
sL c i sL c i sL c i
U sL c i sL c i sL c i R sL i sL i sL i
U sL c i sL c i sL c i sL i R
br 2
cs as 2 2 cr
1
)
2
2 2 1 1
os( ) os( ) os( ) ( )
3 3 2 2
r cr
m m m m bs m m cs ar br r r
sL i sL i
U sL c i sL c i sL c i sL i sL i R sL i
(1.19)
Ta có:
1 2 1 2 1 2

; ; ; ; ;
r
m s r r s s r r
s
N
L L L L L L L L L L L L L
N

,
sr
là hệ số từ tản của mạch stator và mạch rôto
Lại đặt:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

12
12
1 1 1 1
11
2 2 2 2
1 1 1 1
. 1 . 1 .
2 2 2 2
1 1 1 1
11
2 2 2 2
sr
s s r r s s
sr
L L L L R R I


22
os( ) os( ) os( )
33
22
; ( ) os( ) os( ) os( )
33
22
os( ) os( ) os( )
33
m m m
r r m m m m m m
m m m
c c c
R R I L L c c c
c c c

Và tất cả các đại lƣợng điện từ đƣợc coi nhƣ là các véctơ có ba chiều theo
ba trục của dây quấn :
'
ar
as as ar
s
bs s bs s bs r br
cs cs cs cr
t
U t i t t
U U t I i t t t
U t i t t t


thì ta có thể viết lại hệ phƣơng trình (1.3) nhƣ sau:
. ( ) | .( ).
. ( ) | .( ).
. .( ).
. .( ).
s
s s s r
s s s m m
r
r r r s
r r r m m
s
sr
s m m
r
rs
r m m
d d d
U R i R L i L i
dt dt dt
d d d
U R i R L i L i
dt dt dt
L i L i
L i L i
(1.20)
Mômen điện từ của động cơ có thể đƣợc tính nhƣ sau:
*
[ ( ) ]
s m m r

m
d
M p I L I
d

Các hệ phƣơng trình mô tả ĐK theo các dây quấn ở stator và rôto là các
phƣơng trình có hệ số biến thiên theo vị trí góc của dây quấn rôto
m
trong
khoảng [0, 2 ]. Việc giải trực tiếp các phƣơng trình này có nhiều bất tiện, do đó
cần tìm các mô tả khác cho ĐK, một trong những mô hình đó là sơ đồ ba pha
của ĐK trong đó đã quy đổi các dây quấn rôto về mạch stator.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13

Hình 1.5. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stator của ĐK
Trong mô hình quy đổi về stator, dây quấn rôto đƣợc nối với dây quấn
stator, do đó nó đứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn rôto và stator cùng pha là
hằng và luôn là L
m
(do
m
=0), các đại lƣợng điện từ ở mạch rôto đƣợc quy đổi
thông qua hệ số k
e
=N
s
/N

r
và tham số đƣợc quy đổi thông qua hệ số k
r
=
k
2
e
, ma
trận tham số của mô hình là các ma trận hằng.
s r s m s r m r
sr
R R I R R I L L L L L L

'
1'
'
1 1 1 1
11
2 2 2 2
1 1 1
1 . 1
2 2 2 2
1 1 1 1
11
2 2 2 2
sr
r
s m s m r
sr
L L L L



1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
1
.
mm
LL

(1.21)


Trong mô hình hình 1.4 dây quấn rôto quay với tốc độ , trong mô hình hình 1.5
dây quấn rôto đứng yên, trong khi đó véctơ từ thông
Ψ
r
vẫn quay cùng với tốc
độ từ trƣờng quay:

s
= +
sl
.