TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

Trưởng bộ môn
Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Lớp
MSSV

: TS. Trần Trọng Minh
: PGS.TS. Tạ Cao Minh
: Hồ Trọng Đạt
: ĐK&TĐH 7 - K56
: 20112569

Hà Nội, 6-2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba
pha không dùng cảm biến tốc độ do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu

phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 08 tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Hồ Trọng Đạt


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ........................................................................................ iv
DANH MỤC KÝ HIỆU..................................................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ................................... 3
1.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ ........................................................................... 3
1.1.1. Cấu tạo ............................................................................................................... 3
1.1.2. Nguyên lý làm việc............................................................................................ 5
1.2. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ .................................................................... 6
1.3. Khái quát chung về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha ................... 7
1.3.1. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ .................................................... 7
1.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ .................................................... 7
Chƣơng 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ........ 11
2.1. Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ............................................................ 11
2.1.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha ................................... 11
2.1.2. Hệ tọa độ cố định stator ................................................................................... 12
2.1.3. Hệ tọa độ quay ................................................................................................. 12
2.1.4. Chuyển hệ trục tọa độ ...................................................................................... 13
2.1.5. Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor ......................................... 16
2.2. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha ............................... 17
2.3. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trên hệ tọa độ cố định αβ ............................ 18

2.4. Hệ phương trình cơ bản của động cơ trên hệ tọa độ quay dq ................................ 22
2.5. Lý thuyết chung về tổng hợp bộ điều khiển ........................................................... 25
2.5.1. Yêu cầu chất lượng điều khiển ........................................................................ 25
2.5.2. Tiêu chuẩn hàm chuẩn môđun tối ưu .............................................................. 25
2.6. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện ......................................................................... 27
2.6.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện isd ................................................................ 27
2.6.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện isq ................................................................ 29
2.7. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ ............................................................................... 32
Chƣơng 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA KHÔNG
DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ......................................................................................... 34
3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 34


3.2. Phương pháp quan sát từ thông thích nghi tốc độ (Luenberger observer) ............. 35
3.2.1. Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov ......................................................................... 35
3.2.2. Bộ quan sát Luenberger ................................................................................... 36
3.3. Mô phỏng hệ thống................................................................................................. 46
3.3.1. Tính toán tham số ............................................................................................ 46
3.3.2. Mô phỏng trên hệ tọa độ dq............................................................................. 49
3.3.3. Mô phỏng hệ truyền động động cơ trong thư mục SimPower ........................ 53
3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng.................................................................................... 56
Chƣơng 4. THIẾT KẾ VÀ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM .................................. 57
4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 57
4.2. Điều chế vectơ không gian SVM cho mạch nghịch lưu ba pha ............................. 58
4.3. Thiết kế mạch điều khiển ....................................................................................... 65
4.3.1. Giới thiệu vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202 ................................................ 65
4.3.2. Cấu hình các môđun chính cho dsPIC33FJ12MC202 .................................... 66
4.3.3. Mạch phản hồi dòng điện ................................................................................ 69
4.3.4. Mạch đặt tốc độ ............................................................................................... 69
4.4. Thiết kế mạch chỉnh lưu ......................................................................................... 70

4.5. Thiết kế mạch lái .................................................................................................... 72
4.5.1. Mạch nguồn cách ly ........................................................................................ 72
4.5.2. Mạch lái ........................................................................................................... 73
4.6. Thiết kế mạch lực ................................................................................................... 75
4.6.1. Tính chọn van cho mạch nghịch lưu ............................................................... 75
4.6.2. Mạch đệm bảo vệ van (snubber circuit) .......................................................... 77
4.7. Tính chọn tụ cho khâu trung gian một chiều.......................................................... 79
4.8. Chương trình điều khiển ......................................................................................... 80
4.8.1. Chương trình chính .......................................................................................... 80
4.8.2. Chương trình phục vụ ngắt ADC .................................................................... 81
4.8.3. Thiết kế bộ điều khiển số ................................................................................ 82
4.9. Hệ thống thực nghiệm và kết quả........................................................................... 83
4.10. Đánh giá kết quả thực nghiệm.............................................................................. 85
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 86
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 90


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ. ......................................................................... 3
Hình 1.2. Stator động cơ không đồng bộ............................................................................. 4
Hình 1.3. Rotor động cơ không đồng bộ. ............................................................................ 4
Hình 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha. ................................... 5
Hình 2.1. Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và αβ. ...................................... 12
Hình 2.2. Phép chuyển đổi Clarke. .................................................................................... 13
Hình 2.3. Phép quay vector αβ sang dq. ........................................................................... 14
Hình 2.4. Phép chuyển đổi dq sang αβ.............................................................................. 14
Hình 2.5. Phép chuyển đổi nghịch đảo Clarke. ................................................................. 15

Hình 2.6. Cấu trúc kinh điển của hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển kiểu
tựa từ thông rotor. .............................................................................................................. 16
Hình 2.7. Mô hình động cơ trên hệ tọa độ αβ. .................................................................. 20
Hình 2.8. Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ toạ độ αβ. .......................................... 22
Hình 2.9. Mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq.................................................................... 24
Hình 2.10. Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ toạ độ dq. ......................................... 25
Hình 2.11. Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ưu. .......................................................... 26
Hình 2.12. Cấu trúc tổng quát mạch vòng điều chỉnh vòng kín. ....................................... 26
Hình 2.13. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện isd. ............................................................... 28
Hình 2.14. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện isq. ............................................................... 30
Hình 2.15. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ. ......................................................................... 32
Hình 3.1. Cấu trúc điều khiển không cảm biến tốc độ. ..................................................... 35
Hình 3.2. Cấu trúc khâu quan sát từ thông thích nghi tốc độ quay ................................... 38
Hình 3.3. Mô phỏng hệ thống trên hệ tọa độ dq. ............................................................... 49
Hình 3.4. Khâu quan sát từ thông tính tốc độ. ................................................................... 50

i


Danh mục hình vẽ

Hình 3.5. Khối tính tốc độ từ giá trị ước lượng từ thông rotor. ........................................ 50
Hình 3.6. Khâu quan sát dòng điện stator và từ thông rotor. ............................................ 50
Hình 3.7. Khâu tính góc quay từ thông rotor. ................................................................... 51
Hình 3.8. So sánh tốc độ đặt, thực và ước lượng. ............................................................. 51
Hình 3.9. Sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ ước lượng. ................................................. 51
Hình 3.10. Đáp ứng dòng isd và isq. ................................................................................. 52
Hình 3.11. Đồ thị từ thông ước lượng. .............................................................................. 52
Hình 3.12. Đồ thị đáp ứng mômen. ................................................................................... 53
Hình 3.13. Mô phỏng hệ thống động cơ có khâu phát xung. ............................................ 53

Hình 3.14. Sơ đồ khối SVM điều khiển phát xung. .......................................................... 54
Hình 3.15. Đồ thị so sánh tốc độ đặt, thực và ước lượng. ................................................. 54
Hình 3.16. Đồ thị sai lệch giữa tốc độ thực và ước lượng................................................. 54
Hình 3.17. Đồ thị đáp ứng dòng isd và isq. ......................................................................... 55
Hình 3.18. Từ thông ước lượng. ........................................................................................ 55
Hình 3.19. Đáp ứng mômen của động cơ. ......................................................................... 56
Hình 3.20. Dòng điện pha của động cơ. ............................................................................ 56
Hình 4.1. Xây dựng mô hình tổng quan hệ thống thực nghiệm. ....................................... 57
Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha. .......................... 58
Hình 4.3. Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ.......................................................... 59
Hình 4.4. Mối liên hệ giữa các sector và điện áp tức thời. ................................................ 59
Hình 4.5. Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector. ................................. 60
Hình 4.6. Vector điện áp được điều chế trong Sector 1. ................................................... 60
Hình 4.7. Mẫu xung chuẩn trong Sector 1......................................................................... 63
Hình 4.8. Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi sector. .................................................. 64
Hình 4.9. Vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202. ................................................................. 65
Hình 4.10. Nguyên tắc cấu hình PLL cho dsPIC33. ......................................................... 67

ii


Danh mục hình vẽ

Hình 4.11. Cấu hình PWM chế độ bổ phụ có thời gian chết. ............................................ 68
Hình 4.12. Sơ đồ chân IC ACS712 và đặc tính điện áp ra. ............................................... 69
Hình 4.13. Sơ đồ nguyên lý mạch đặt tốc độ. ................................................................... 69
Hình 4.14. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha. .............................................................................. 70
Hình 4.15. Nguyên lý nguồn xung cách ly Half-Bridge. .................................................. 72
Hình 4.16. Sơ đồ kết nối IR 2151. ..................................................................................... 72
Hình 4.17. Sơ đồ nguyên lý mạch Half-Bridge. ................................................................ 73

Hình 4.18. Sơ đồ mạch nguyên lý sử dụng driver HCPL-3120. ....................................... 73
Hình 4.19. Sơ đồ nguyên lý điều khiển IGBT nhánh trên. ................................................ 74
Hình 4.20. Sơ đồ nguyên lý mạch driver cho 3 van nhánh dưới. ...................................... 75
Hình 4.21. Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha. .................................................... 76
Hình 4.22. Sơ đồ nguyên lý mạch lực. .............................................................................. 79
Hình 4.23. Chương trình điều khiển động cơ. ................................................................... 81
Hình 4.24. Chương trình phục vụ ngắt ADC. ................................................................... 82
Hình 4.25. Mô hình hệ thống thực nghiệm. ...................................................................... 84
Hình 4.26. Hệ thống thực nghiệm tại CTI. ........................................................................ 84
Hình 4.27. Mạch thực nghiệm. .......................................................................................... 85

iii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 4.1. Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn. .............................................................. 58
Bảng 4.2. Bảng tổng hợp ma trận Anm trong mỗi sector ................................................... 61
Bảng 4.3. Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 ............................................. 62
Bảng 4.4. Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lưu. ............................. 64
Bảng 4.5. Đặc tính KBU1010............................................................................................ 71
Bảng 4.6. Thuộc tính van IGBT FGA25N120ANTD. ...................................................... 77
Bảng P.1. Thông số động cơ IM tại trung tâm CTI. .......................................................... 87

iv


Danh mục ký hiệu


DANH MỤC KÝ HIỆU
isd, isq

Dòng stator trên trục d và trục q (A)

isα ,isβ

Dòng stator trên trục α và trục β (A)

u sd , u sq

Điện áp stator trên trục d và trục q (V)

u sα , u sβ

Điện áp stator trên trục α và trục β (V)

ψrd , ψrq

Từ thông rotor trên trục d và trục q (Wb)

J

Mômen quán tính (kg.m2)

Lm

Hỗ cảm giữa stator và rotor (H)

Lr , Ls


Điện cảm rotor, stator (H)

Lσr

Điện cảm tản của cuộn dây rotor quy đổi về stator (H)

Lσs

Điện cảm tản của cuộn dây stator (H)

p

Số đôi cực của động cơ

Rr, Rs

Điện trở rotor, stator ( Ω )

M

Mômen động cơ (Nm)

Mc

Mômen tải (Nm)

Tr , Ts

Hằng số thời gian rotor, stator


θ

Góc của trục rotor trong hệ tọa độ αβ (rad)

θs

Góc của trục d trong hệ tọa độ αβ (rad)

σ

Hệ số từ tản tổng

ω

Tốc độ góc của rotor (rad/s)

ωsl

Tốc độ trượt (rad/s)

ωs

Tốc độ góc của từ trường quay (rad/s)

v


Lời nói đầu


LỜI NÓI ĐẦU
Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, các động cơ xoay chiều ba pha
ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Cùng với sự phát triển của lĩnh vực công nghiệp, tự
động hóa đã kéo theo sự phát triển nhanh chóng của các kỹ thuật trong lĩnh vực điện,
điện tử nói chung và lĩnh vực truyền động điện nói riêng. Có nhiều loại động cơ được sử
dụng trong công nghiệp, nhưng động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi hơn cả vì
nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền và kích thước nhỏ
gọn.
Ở hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ kinh điển, thường có một mạch
vòng điều chỉnh tốc độ với tín hiệu phản hồi tốc độ và thông thường nhận được từ cảm
biến tốc độ gắn trên trục động cơ. Tuy nhiên, cảm biến tốc độ quay có một số nhược
điểm là nó làm cho hệ thống truyền động điện không đồng nhất do phải lắp cùng trên trục
động cơ một máy phát tốc độ hay một cảm biến số. Trong một số trường hợp không thể
lắp được cảm biến tốc độ trên trục động cơ, ví dụ như ở hệ thống truyền động điện cao
tốc, ở hệ thống truyền động điện ôtô hay khi động cơ làm việc ở môi trường khắc nghiệt,
bụi bẩn. Hơn nữa, khi động cơ ở xa trung tâm, nhiễu gây ra do truyền dẫn tín hiệu từ máy
phát tốc về tủ điều khiển là vấn đề phức tạp cho việc nâng cao điều khiển.
Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến
tốc độ có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn cao. Hệ thống này cho phép sử dụng
có hiệu quả động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện các máy công
nghiệp, góp phần giảm độ phức tạp, giảm giá thành bảo dưỡng và chi phí vận hành hệ
thống truyền động điện, giải quyết những vấn đề không thể khắc phục của động cơ một
chiều như mức độ hư hỏng cũng như chi phí bảo dưỡng vận hành cao.
Chính vì vậy, trong đồ án tốt nghiệp của mình, em đã lựa chọn đề tài "Điều khiển
động cơ không đồng bộ ba pha không dùng cảm biến tốc độ" để hiểu kỹ hơn các
phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ. Nội dung lý thuyết tập trung
nghiên cứu phương pháp quan sát từ thông tính tốc độ quay (Luenberger observer). Bài
báo cáo đã cho các kết quả tốt khi mô phỏng Matlab/Simulink hệ điều khiển động cơ
không dùng cảm biến tốc độ và bước đầu đã có những kết quả thực nghiệm khi điều
khiển động cơ tại trung tâm CTI.


1


Lời nói đầu

Nội dung của đề tài này đƣợc trình bày trong 4 chƣơng:
 Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ
 Chương 2: Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển
 Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha không dùng cảm biến tốc độ
 Chương 4: Thiết kế và kiểm chứng thực nghiệm
Do thời gian có hạn cũng như những hạn chế về kiến thức và điều kiện thực
nghiệm, đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót. Vì thế, em kính mong nhận được
những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để em khắc phục và cải tiến các
vấn đề còn tồn tại của bản đồ án.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo PGS.TS. Tạ Cao Minh đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Hồ Trọng Đạt

2


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ
Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu
điểm nổi bật của loại động cơ này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ không đồng
bộ rotor lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận
hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra, động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện
xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá
trình quá độ khó khăn. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh
vực điều khiển tự động và lĩnh vực công suất bán dẫn, các kĩ thuật điều khiển mới được
phát minh, dẫn đến một bước tiến lớn trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ.
Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: động
cơ rotor lồng sóc và động cơ rotor dây quấn.
1.1.1. Cấu tạo

Hình 1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ.
a) Phần tĩnh
Stator có cấu tạo gồm: vỏ máy, lõi sắt và dây quấn.
3


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

- Vỏ máy:
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.
Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW)
thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng
vỏ cũng khác nhau.
- Lõi sắt:

Lõi sắt là phần dẫn từ, vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn
hao dòng Fucô thì lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật ghép lại.
- Dây quấn:
Dây quấn được dùng để dẫn điện, sinh ra từ trường, dây quấn được đặt vào rãnh của
lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt, dây quấn được làm bằng đồng, có tác dụng sinh
ra từ trường quay cảm ứng với dòng điện tạo ra mômen.

Hình 1.2. Stator động cơ không đồng bộ.
b) Phần quay
Rotor có hai loại chính là rotor dây quấn và rotor lồng sóc.

a) Rotor dây quấn

b) Rotor lồng sóc

Hình 1.3. Rotor động cơ không đồng bộ.

4


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

- Rotor kiểu dây quấn:
Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn ba pha của rotor
thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt
cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc
điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch
điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất
của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược
điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc

nghiệt, dễ cháy nổ.
- Rotor kiểu lồng sóc:
Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt
rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai
đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta
quen gọi là lồng sóc.
c) Khe hở không khí
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất
nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công
suất của máy cao hơn.
1.1.2. Nguyên lý làm việc

Hình 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.
Động cơ không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Đặt điện áp
u1 vào dây quấn stator, có dòng điện stator i1 với tần số f1. Dòng điện i1 tạo ra từ thông 
theo quy tắc vặn nút chai. Từ trường ba pha là từ trường quay với với tốc độ

5


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

n1 

60f1
. Lúc đầu dây quấn rotor đứng yên, nhưng so với từ trường quay, nó có vận tốc
p

v1 cảm ứng nên sức điện động e2. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động
cảm ứng sinh ra dòng điện i2 trong các thanh dẫn rotor và tạo ra lực điện từ Fđt, làm cho

rotor quay với tốc độ n (nsẻ không có chuyển động tương đối giữa rotor và từ trường quay (v1=0) → Fđt=0.
Hệ số trượt:

s

n1  n
n1

(1.1)

1.2. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ
điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ
không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong đời sống. Động cơ không đồng bộ
ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông
nghiệp và trong đời sống hàng ngày.
Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết
bị dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và trong thiết bị điện dân dụng.
Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi
được. Hiện nay 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 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 và đặc tính tải theo yêu cầu.
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, nó được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm.
Trong đời sống hằng 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, máy quay đĩa.

Tóm lại, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn, kỹ thuật vi xử lý, lý thuyết
điều khiển và tự động hóa thì các hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ngày càng
được sử dụng rộng rãi.
6


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

1.3. Khái quát chung về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
1.3.1. Ảnh hƣởng của các thông số đến đặc tính cơ
Phương trình mômen của động cơ:

R 2'
s
M
2
'


R2 
2
1  R1 
  X nm 
s 


3U12

(1.2)

Trong đó:
 U1: trị số hiệu dụng của điện áp pha stotor.
 Xnm: điện kháng ngắn mạch.
 R1, R2’: điện trở của cuộn dây stator, cuộn dây mạch rotor đã quy đổi về stator.
 s: độ trượt.
 ω1: tốc độ góc của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ: 1 

2f1
p

 ω: tốc độ góc của động cơ.
 f1: tần số của điện áp nguồn đặt vào stator.
 p: số đội cực từ của động cơ.
Từ phương trình (1.2), đặc tính cơ của động cơ bị ảnh hưởng bởi các thông số:
 Điện áp stator.
 Điện trở, điện kháng mạch stator (nối thêm điện trở phụ Rf1 và X1f vào mạch
stator).
 Điện trở mạch rotor (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rotor đối với động cơ
rotor dây quấn).
 Tần số lưới cấp cho động cơ f1.
Ngoài ra, việc thay đổi số đôi cực sẻ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc
tính cơ (trường hợp này xảy ra đối với động cơ nhiều cấp tốc độ).
1.3.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng, trong đó không có sự
phân ly giữa phần cảm (kích thích sinh từ thông từ hóa) và phần ứng. Từ thông động cơ
và mômen là hàm phi tuyến của nhiều biến. Chính vì vậy mà trong định hướng xây dựng
7


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

các hệ truyền động điện không đồng bộ người ta thường có xu hướng tiếp cận với các đặc
tính điều chỉnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Để có thể đưa ra các phương
pháp chung trong điều khiển, hãy xét phương trình cân bằng công suất của động cơ
không đồng bộ.
Pđt=Pcơ+∆Ps

(1.3)

Trong đó: Pđt=M.ω1 : công suất điện từ truyền từ stator sang rotor
Pcơ=M.ω : công suất cơ
∆Ps=3R’2I’22 : tổn hao đồng trên điện trở mạch rotor
Như vậy với mômen tải xác định (M=Mc), muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ, chủ yếu có hai hướng: hoặc là điều chỉnh tốc độ đồng bộ, hoặc là điều chỉnh
công suất tổn hao ∆Ps. Phương pháp thứ nhất liên quan đến các hệ thống điều chỉnh tần
số, phương pháp thứ hai liên quan đến điều chỉnh điện trở mạch rotor hoặc điều chỉnh
công suất trượt. Sau đây, ta khái quát chung về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha.
a) Điều chỉnh điện áp stator
Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó ta có
thể điều chỉnh được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stator
trong khi giữ nguyên tần số. Đây là phương pháp đơn giản sử dụng một bộ biến đổi điện
năng (biến áp, thyristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator. Phương pháp này
kinh tế nhưng họ đặc tính cơ không tốt, phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen hẹp. Vì vậy
ngày nay người ta ít dùng, chủ yếu dùng để khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng
sóc phụ tải máy bơm, quạt gió.
b) Điều chỉnh điện trở rotor
Phương pháp này điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ không đồng bộ
rotor dây quấn. Khi thay đổi điện trở phụ mạch rotor ta có tốc độ đồng bộ là hằng số.
Thực chất là phương pháp tổn thất Ps  I'22 R '2 , do đó điều chỉnh được công suất cơ Pcơ .

Khi điều chỉnh điện trở thì mômen tới hạn của động cơ không đổi và độ trượt tới hạn tỷ lệ
với điện trở mạch rotor. Nhược điểm của phương pháp này là điều chỉnh có cấp, đặc tính
cơ mềm, độ ổn định tốc độ thấp, tổn thất điều chỉnh lớn. Để khắc phục nhược điểm trên
có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh trơn điện trở rotor bằng cách điều chỉnh xung
điện trở. Tuy vậy, phương pháp này có hiệu quả tốt là mômen khởi động lớn, thích hợp
8


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

với truyền động cơ cấu nâng hạ của cầu trục và cần trục, nên nó vẫn được sử dụng ở dải
công suất nhỏ và trung bình.
c) Điều chỉnh công suất trượt
Phương pháp điều chỉnh công suất trượt Ps  s.Pdt thực hiện đối với động cơ rotor
dây quấn. Thực chất của phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ
ở phía stator, với phụ tải định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ (giảm công suất đầu ra
trục động cơ), ta lấy bớt công suất ở phía rotor (gọi là công suất trượt ∆Ps) được biến đổi
trả lại lưới, nếu bỏ qua tổn thất bộ biến đổi ta có: Pcơ=Pđt-∆Ps=(1-s)Pđt. Như vậy công suất
điện tiêu thụ của động cơ gần tương ứng với công suất cơ, nên phương pháp này gọi là
phương pháp kinh tế.
d) Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator
Khi giảm tần số thì điện trở tổng giảm, nếu điện áp giữ nguyên thì dòng điện sẻ tăng
lên có thể gây cháy cuộn dây. Vì vậy, khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ
thường phải điều chỉnh cả điện áp.
Luật điều chỉnh giữ tỷ số điện áp tần số không đổi U/f: ở hệ thống điều khiển điện
áp/tần số, sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỷ lệ với tần số và có thể điều
chỉnh tốc độ ở hai vùng:
 Ở vùng dưới tốc độ cơ bản: cần giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số
sức điện động/tần số là hằng số.
 Ở vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duy trì

không đổi, từ thông giảm theo tốc độ.
e) Điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control - DTC)
Phương pháp này là dựa trên sai khác giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các
khâu tính toán hồi tiếp về của mômen và từ thông. Mặt khác, ta có thể điều khiển trực
tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt các
khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số mômen và từ thông trong phạm vi cho phép
được xác định trước.
Sai số giữa mômen phản hồi và mômen đặt được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 3,
trong khi sai số giữa biên độ từ thông stator ước tính và từ thông đặt được đưa vào khâu
so sánh trễ bậc 2. Phương pháp điều khiển DTC có những tính chất thật sự tốt, đạt được
hiệu quả như điều khiển vector nhưng cấu trúc lại đơn giản hơn. Phương pháp điều khiển

9


Chương 1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

DTC có thể điều khiển chính xác được từ thông stator và mômen động cơ. Khi sai số của
từ thông hoặc mômen vượt qua giới hạn sai số cho phép, hệ thống sẽ phát tín hiệu cho bộ
nghịch lưu, điều khiển đóng ngắt các tổ hợp khóa để từ thông và mômen đạt giá trị mong
muốn.
f) Điều khiển vector tựa từ thông động cơ không đồng bộ (Field Oriented Control - FOC)
Phương pháp điều khiển này còn được gọi là điều khiển định hướng từ thông
Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động
cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng
phần ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen: Me = K  Iu = K’IktIu
(Ikt; Iu là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng,  là từ thông động cơ).
Các phương pháp trong việc điều khiển định hướng tựa theo vector từ thông thường
được sử dụng là:
 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor.

 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông stator.
 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông từ hóa.
Trong phạm vi đồ án, chỉ trình bày theo phương pháp điều khiển vector tựa từ thông
rotor. Tương tự, điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta chọn trục d trùng với chiều
vector từ thông rotor có thể điều chỉnh được mômen và từ thông bằng cách điều chỉnh
độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với
vector từ thông rotor. Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như
điều khiển động cơ điện một chiều. Ở đây, thành phần dòng điện stator trên trục d là isd
đóng vai trò là dòng sinh từ thông tương tự như dòng kích từ của động cơ một chiều và
thành phần dòng điện stator trên trục q là isq đóng vai trò là dòng sinh mômen tương tự
như dòng điện phần ứng của động cơ điện một chiều.

10


Chương 2. Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển

Chƣơng 2
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ
TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
2.1. Điều khiển vector động cơ không đồng bộ
Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh cao thì các phương pháp kinh điển
khó đáp ứng được. Hệ thống điều khiển định hướng theo từ thông còn gọi là điều khiển
vector, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nguyên lý điều
khiển vector động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Phương
pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như
chất lượng điều khiển tối ưu mômen. Việc điều khiển vector dựa trên định hướng vector
từ thông rotor có thể cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mômen
quay từ dòng điện xoay chiều ba pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ. Kênh điều
khiển mômen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều

chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen. Kênh điều khiển từ thông thường gồm một
mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông.
2.1.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lƣợng ba pha
Ba dòng pha hình sin phía stator của động cơ xoay chiều ba pha không nối điểm
trung tính:
isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0

(2.1)

Chúng có thể được mô tả dưới dạng vector không gian is(t) quay với tần số stator fs
như sau:
0
0
2
is  isa (t)  isb (t)e j120  isc (t)e j240 

3

(2.2)

Lúc này, ba dòng pha sẻ là hình chiếu của vector is xuống trục ba cuộn dây tương
ứng. Tương tự, ta có thể biểu diễn các đại lượng ba pha khác như điện áp stator, dòng
điện rotor, từ thông stator và rotor dưới dạng vector không gian. Tất cả các vector đều
quay xung quanh gốc tọa độ với tốc độ góc s .

11


Chương 2. Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển

2.1.2. Hệ tọa độ cố định stator
Vector không gian dòng điện stator là một vector có môđun xác định (|is|) quay trên
mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một
góc s t . Đặt tên cho trục thực là α và trục ảo là β, vector không gian (dòng điện stator)
có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực  is  và ảo  is  là hai thành phần của vector
này. Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ.
2.1.3. Hệ tọa độ quay
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ  xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục hoành d
và trục tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc s so với hệ tọa
độ αβ.
Tiếp theo, ta tìm cách biểu diễn các vector không gian của động cơ không đồng bộ
ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor. Trong mục này ta xây dựng một hệ tọa độ mới có
hướng trục hoành (trục d) trùng với trục của vector từ thông rotor  r và có gốc trùng với
gốc của hệ tọa độ  hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọa
độ dq. Hệ tọa độ dq quay quanh điểm gốc với tốc độ góc ωs, và hợp với hệ tọa độ αβ một
góc s . Giả thiết một động cơ đang quay với tốc độ góc  

d
(tốc độ quay của rotor so
dt

với stator đứng yên).
j

Trục từ
thông rotor

is

is

d

s

Pha b

Trục rotor



isd

ψr

jq



isq

is

s


Pha a

Rotor

Pha c

Hình 2.1. Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và αβ.
12


Chương 2. Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển

Như vậy, ta có thể biểu diễn các đại lượng ba pha stator và rotor như điện áp, dòng
điện, từ thông dưới dạng vector. Tất cả các vector đều quay xung quanh gốc tọa độ với
tốc độ góc s dưới dạng như sau:
u s  u sd  ju sq ;u r  u rd  ju rq

is  isd  jisq ;i r  i rd  ji rq

s  sd  j sq ;  r   rd  j rq

(2.3)

Do trục d của hệ tọa độ mới trùng với trục từ thông rotor  r khi ấy thành phần trục q
của từ thông rotor sẻ mất đi và ta thu được các quan hệ vật lý giữa mômen quay, từ thông
rotor và các thành phần dòng. Các quan hệ ấy được biểu diễn như sau:
 rd 

Lm
3 L
.isd và M  . m .p. rd .isq
2 Lr
1  sTr

(2.4)

Từ (2.4) ta thấy rằng: từ thông rotor bị thay đổi bởi thành phần dòng isd (gọi là dòng
tạo từ thông) với một quán tính nhất định. Vậy là giá trị chủ đạo isd* sẻ là đại lượng đặt
của khâu điều chỉnh từ thông. Dòng isq sẻ đặc trưng cho mômen quay và vì vậy ta có thể
sử dụng đại lượng đầu ra của khâu điều chỉnh tốc độ quay làm giá trị chủ đạo isq* cho
thành phần sinh mômen.
2.1.4. Chuyển hệ trục tọa độ
Bằng cách tính hình chiếu các thành phần vector không gian từ hệ tọa độ này sang
hệ tọa độ khác ta xác định được các thành phần theo phương pháp hình học như sau.
Phép chuyển đổi các giá trị vector dòng điện quay từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ
αβ sử dụng phép chuyển đổi Clarke được định nghĩa như sau:

a
b
(c)

Clarke

α
β

β

b

is

is
a,α

is
c

Hình 2.2. Phép chuyển đổi Clarke.
13


Chương 2. Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển
2
is   3
 
is   0


1
1 
  isa 
3
3  
i
1
1   sb 

i 
3
3   sc 



(2.5)

Phép chuyển đổi các giá trị từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq được định nghĩa như
sau:

β
q
α
β
θs

   dq

d
q

ωs d

is

isβ

θs

isd

α

isq
isα

Hình 2.3. Phép quay vector αβ sang dq.
isd   cos s
 
isq    sin s

sin s  is 
 
cos s  is 

(2.6)

Ngược lại, khi cần chuyển đổi các giá trị từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ cố định
stator αβ ta sử dụng phép chuyển đổi như sau:
β
q
d
q

θs

dq  

α
β

usβ

ωs d

us

usd

θs
α

usq
usα

Hình 2.4. Phép chuyển đổi dq sang αβ.
 u s  cos s


 u s   sin s

 sin s   u sd 


cos s   u sq 

14

(2.7)


Chương 2. Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển

Khi cần chuyển đổi giá trị điện áp từ hệ tọa độ cố định stator αβ sang hệ tọa độ abc,
có thể dùng phép chuyển đổi nghịch đảo Clarke như sau:

β

b
α
β

Nghịch đảo
Clarke

a
b
c

us

us
a,α

us
c

Hình 2.5. Phép chuyển đổi nghịch đảo Clarke.

 1
 u sa  
   1
 u sb     2
 u sc  
 

 1
  2



0 


3   u s 
 
2   u s 

3
 
2 

(2.8)

Khi cần chuyển đổi các giá trị từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq ta có thể thực hiện
bằng cách nhân ma trận từ công thức (2.5) và (2.6) và được phép chuyển Park như sau:

 cos s
i d  2 
  
i
 q  3   sin 
s


2  

 i 
3    a 


i b 


2 
2   i 
 sin  s 
 sin  s 
c
3 
3    




cos  s 

2 
3 



cos  s 

(2.9)

Ngược lại, khi cần chuyển từ hệ tọa độ dq về hệ tọa độ abc có thể dùng phép chuyển

nghịch đảo Park như sau:




cos s
 sin s


ua  


2 
2    u d 
  
u

cos



sin


 
 s
 s
 b 
3 
3    u q 



u  

 c
cos    2   sin    2  
 s
 s

3 
3  




15

(2.10)


Chương 2. Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển

2.1.5. Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor
_

+

rd*





PI

_

*

PI



isd*



PI



_

isq

*

_

PI



_

rd

Usd*
*
sq

U

dq

Us*
Us *

3~

=

s
isd
i sq

MHTT


dq

is

abc

is 



isa
isb

Mô hình từ thông



IM
Encoder

Hình 2.6. Cấu trúc kinh điển của hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển kiểu
tựa từ thông rotor.
Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cơ kinh điển gồm có mạch vòng điều
chỉnh dòng điện stator trong cùng và mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài. Cấu trúc
điều khiển tựa từ thông rotor được lấy ý tưởng từ việc điều khiển động cơ một chiều. Cụ
thể, thành phần dòng điện stator sẻ được tách riêng thành hai phần dòng tạo từ thông và
thành phần dòng tạo mômen quay. Như vậy ta sẻ có mạch điều khiển dòng isd (điều khiển
từ thông) và mạch điều khiển dòng isq (điều khiển mômen). Tín hiệu ngõ vào là tốc độ đặt

* sẻ được chuyển thành tín hiệu dòng điện đặt tương ứng isd* và isq* thông qua khâu so
sánh (với từ thông rotor và tốc độ hồi tiếp) và khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân. Hai tín

hiệu dòng đặt isd* và isq* tiếp tục được so sánh với tín hiệu dòng hồi tiếp isd, isq và qua
khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân sẻ chuyển thành tín hiệu điện áp đặt mong muốn usd* và
usq*. Hai tín hiệu điện áp này tiếp tục được chuyển sang hệ tọa độ αβ hoặc abc nhằm mục
đích tạo ra giá trị đặt cho khâu điều chế, tính toán phát xung, tạo ra giản đồ đóng ngắt
khóa của bộ nghịch lưu điện áp ba pha, tạo ra điện áp ba pha ở đầu ra của bộ nghịch lưu
cấp cho động cơ.
Bên cạnh đó, trong phương pháp điều khiển kiểu tựa từ thông rotor phải xác định
được vị trí góc của vector từ thông để chuyển đổi các hệ tọa độ với nhau. Như vậy, thông

16