Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Luận Văn Tốt Nghiệp
Đề Tài: Điều khiển động cơ không
đồng bộ dùng PSoc
SVTH: Vũ Quang Trình
1
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Mục lục
SVTH: Vũ Quang Trình
1
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha
điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế
SPWM. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều
khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng
như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô
hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền
động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế
về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở
động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong
tương lai.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang
thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô
trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm
cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em
hoàn tất khóa học.

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.
SVTH: Vũ Quang Trình
2
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay
động cơ xoay chiều.
Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω
o
(rad/s) hay n
o
(vòng/phút) thì tốc độ quay
của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω
o
; n < n
o
). Sai lệch tương tối giữa hai
tốc độ gọi là độ trượt s:
o
o
s
ω − ω
=
ω
(1-1)
Từ đó ta có:
ω = ω

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:
o
2 1
np(n
f
6
)
s
0
f
−
= =
(1-6)
2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
2.1. Phương 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 không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong
lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ
như hình vẽ 1-2
SVTH: Vũ Quang Trình
4
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó:
U

giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
'
'
2
1 2
2
2
o 1 nm
3U
M
R
s R X
s
R
,[Nm]=
 
 
ω +
 
 ÷
 
 
 
+
(1-7)
Trong đó:
X
nm
– điện kháng ngắn mạch, X
nm

±=
(1-9)
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
SVTH: Vũ Quang Trình
6
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
2
1
th
2 2
o 1 1 nm
3U
M
2 (R R X )+ω ±
=
(1-10)
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s
th
và
M
th
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:

(1-12)
3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f
1
đến đặc tính cơ:
Khi thay đổi f
1
thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω
o
thay đổi, đồng thời X
1
, X
2
cũng
bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s
th
và
momen tới hạn M
th
.
SVTH: Vũ Quang Trình
7
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s
th
= f(f
1
) và momen tới hạn theo tần số M
th
= f(f


:
:
(1-13)
Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s
th
và momen tới hạn M
th
đều tăng nhưng M
th
tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f
1
xuống dưới tần số định mức f
1dm
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 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:
1
1
u
const
f
=
(1-14)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1

9
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không 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 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 quá trình tự động hóa.
Động cơ không 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 môi 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 công 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 hòa… 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 không 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 thông và momen của động cơ điện xoay chiều
đòi hỏi một hệ thống tính toán 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

SVTH: Vũ Quang Trình
11
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
năm 70 với các mạch điều khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp
ứng được sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi
hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý
thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển
vector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì
giá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).
Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý
khác chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic )
vào điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền
động. Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ
truyền động xoay chiều trong một tương lai gần. Triển vọng ứng dụng rộng rãi của
hai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn
( Semiconductor Microprocessor ).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết
điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó là lý
thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC )
do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC
vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.
CHƯƠNG 2
CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA
1. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
SVTH: Vũ Quang Trình
12
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

độ động cơ 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 công 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 hòa 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 thông 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
toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng
cao.
2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không 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 R
f

- 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 f
1
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
SVTH: Vũ Quang Trình
14

tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng
điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm
cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy
đuợc hết công 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 thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thế
là từ thông stato Φ
1
, từ thông của roto Φ
2
, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φ
µ
.
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 không 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 = M
th
/M
c
= const
SVTH: Vũ Quang Trình
15
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
- Luật dòng điện không tải không đổi: I
o
= const
- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I
1

1
/f
1
không đổi. Trong
phương pháp U/f = const thì tỷ số U
1
/f
1
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 E
1
giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ
không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
2
1
2 2
2
0 1
'
2
'
1 2
'
3U R / s
M
[(R ) ]
R
(X X )

'
m
'
3U R / s
M
[(R )
R
s
(X X ) ]
=
ϖ + + +
(2-7)
2
1dm
thdm
2 2
0dm 1 1 1dm 2dm
'
3U
M
2 (R (XR X ))ω + + +
=
(2-8)
Ta có công thức sau:
1dm
1
a
f
f
=

; X
’
2
= aX
’
2dm
. Thay
các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được công thức tính momen và momen tới
hạn của động cơ ở tần số khác định mức:
SVTH: Vũ Quang Trình
17
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
2
2
'
'
1dm
2 2
1 2
o
1 2
'
3
R R
) X )
a a.
R
U
a.s

a a
U
M
(X
=
ω
 
+ +
 ÷
 
+
(2-13)
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X
1
và X
’
2
phụ thuộc vào tần số trong
khi R
1
lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X
1
+ X
’
2
) >> R
1
/a,
sụt áp trên R
1

dm
. Khi a > 1 (f > f
dm
), điện áp được giữ không 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:
SVTH: Vũ Quang Trình
18
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const
Từ (hình 2-1) ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn
- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc
độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định
mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.
- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức
bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp
định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng trên vận tốc
cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự
thay đổi của tần số theo thời gian.
SVTH: Vũ Quang Trình
19
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
CHƯƠNG 3
BIẾN TẦN
1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về
từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
• Giảm tiếng ồn công nghiệp.
• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay
đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ
thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều
phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh
kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy
biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt
(ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn
nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo
trì cũng như thay mới.
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp
ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
SVTH: Vũ Quang Trình
21
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt
nghiệp
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám
sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải
… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường
hợp này.

bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.
b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.
c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành
dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập
Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:
- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng
trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất
tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các
ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.
- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được
định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn
dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì
phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều
khiển ổn định dòng điện.
SVTH: Vũ Quang Trình
23