ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Sinh viên: Trương Thị Thu Trang Lớp: ĐTĐ51ĐH1
Tên đề tài: “Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ
sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Rotor lồng sóc”
Lời mở đầu
Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
1.1.1 Khái niệm
1.1.2 Đặc tính cơ và thông số ảnh hưởng tới đăc tính cơ
1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ
1.3 Xây dựng mô hình động cơ
Chương 2: Tổng hợp các bộ điều chỉnh
2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator
2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng tốc độ
Chương 3: Mô hình mô phỏng đáp ứng trên Simulink
3.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động diều chỉnh tốc độ
3.2 Kết quả mô phỏng
3.3 Kết luận
3.4.Tài liệu tham khảo
Hải Phòng, ngày tháng 1 năm 2013
Giáo viên hướng dẫn Sinh viên
Phạm Tâm Thành Trương Thị Thu Trang
Mục lục
1
Lời mở đầu 3
Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 4
1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 4
1.1.1 Khái niệm 4
1.1.2 Đặc tính cơ và thông số ảnh hưởng tới đăc tính cơ 8
1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ 17

dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc điều khiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh
và độ chính xác cao cho hệ truyền động. Điều này dẫn đến việc chuẩn hóa chế
tạo các hệ truyền động hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng
ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất.
Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Xây dựng
mô hình mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ
không đồng bộ rotor lồng sóc.” dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Tâm
Thành và các thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp-Trường Đại
học Hàng Hải
Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn không
khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn
thiện hơn !
3
Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
1 .1.Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
1.1.1. Khái niệm
Động cơ điện dị bộ (không đồng bộ) là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc
độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy
●) Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính : Phần tĩnh và phần động
Hình 1-1 .Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn
- Phần tĩnh: Gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy
+ Lõi thép stato : Do nhiều lá thép kĩ thuật điện đã dập sẵn , ghép cách
điện với nhau chiều dày các lá thép thường từ 0.35 mm đến 0.5mm phía trong
có các rãnh đặt dây quấn. Mỗi lá thép kĩ thuật được sơn cách điện với nhau để
giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lại
thành một khối .Nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp , mỗi thếp dài từ
6 cm đến 8 cm, cách nhau 1 cm để thông gió.
stato

5

Hình1-3. Dây quấn rôto kiểu lồng sóc
Ngoài ra dây quấn lống sóc không cần cách điện với lõi thép rãnh
rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép
dùng cho máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy . Với động cơ
công suất nhỏ rãnh rôto thường đi chéo môt góc so tâm trục.
+ Khe hở
Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí , khe hở rất ít
thường là ( 0,2 0 mm đến 1.mm), do rôto là khối tròn nên rôto rất đều . Mạch từ
động cơ không đồng bộ khép kín từ stato sang rôto qua khe hở không khí. Khe
hở không khí càng lớn thì dòng từ hoá gây ra từ thông cho máy càng lớn hệ số
công suất càng lớn .
•Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ
- Công suất định mức P
đm
là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra
- Điện áp định mức U
đm
- Dòng điện định mức I
đm

- Hệ số công suất định mức : cosϕ
đm
- Tốc độ quay định mức n
đm
(vòng/ phút )
- Tần số định mức f
đm
(hz)

từ được sinh ra và Rotor quay chậm lại. Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc
độ đồng bộ, tốc độ đồng 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 trượt.
• Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều
ba pha rotor lồng sóc
Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất
trung bình . Chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm :
− Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế
tạo, vận hành an toàn, tin cậy, giá thành rẻ, hiệu suất cao và gần như không bảo
trì
− Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém các
thiết bị biến đổi.
7
Nhược điểm : tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tần số và biên
độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu các
tốc độ có thể thay đổi được. Chúng có thể chạy ở tốc độ gần như bằng hằng số
đối với tải và từ không tải tới đầy tải. Điều này không giống như các động cơ
một chiều, các độngc cơ đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch các
thành phần dòng điện sinh momen 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 được, nên bộ điều khiển
phức tạp hơn so với loại một chiều.
1.1.2 Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ
A. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ
Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử
dụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ . Tuy nhiên có các điều kiện sau thoả
mãn để xây dựng phương trình đặc tính cơ.
- 3 pha của động cơ là đối xứng .
- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ,
điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto , mạch từ không bão hoà

điện kháng rôto đã quy đổi về phía stato.
+I
th
,I
1
, I
2
’
là các dòng điện từ hoá,dòng điện stato, dòng điện rôto đã
quy đổi về stato
Với hệ số quy đổi như sau:
X
’
2
= K
u
2
.X
2
; I
’
2
= K
i
I
2
; R
2
’
= K

1
1
−

Ta tính được dòng điện qua rô to : I
2
’
=
( )
2
'
21
2
'
2
1
1
XX
R
R
U
S
++








2
’
: điện kháng ngắn mạch
Dòng khởi động phía rôto của động cơ :
Hình 1-5. Đặc tính dòng điện rôto
9
Thông thường ta có I
2
’
max = (4 ÷ 7)I
đm
. Vì thế khi khởi động động cơ cần
chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phía rôto .
Ta có dòng điện phía stato là :
Khi S = 0 → I
1
= I
th
(dòng phía stato bằng dòng từ hoá )
S = 1 → I
1
=
( )
1
2
21
11
U
XRR
XR

:Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ : P
cơ
= M
cơ
.ω (1.3)
∆P
ω
2
: Công suất tổn hao đồng trong rôto : ∆P
ω
2
= 3.I
2
’2
.R
2
’
(1.4)
Với : I
2
’
=
( )
XRR
U
nm
22
21
1
++

.
+








+

M (ω
1
- ω ) = 3.
R
X
R
R
U
nm
S
'
2
2
2
'
2
1
2









+
2
2
'
2
11
'
2
2
1
3
nm
X
s
R
Rs
RU
ω
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Để vẽ đường dặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn thông
qua việc giải phương trình :
0=

111
1
2
3
nm
XRR
U
+±
ω

Dấu “ + “ ứng với trạng thái động cơ . Dấu “ - “ ứng với trạng thái máy phát .
Khi ngiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người ta quan
tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ.
Với những động cơ công suất lớn lớn thường R
1
rất nhỏ so với X
nm
nên lúc
này co thể bỏ qua R
1
nghĩa là R
1
= 0 . Do đó :
S
th
= ±
X
R
nm
'

M
th
th
th
2
1
=> M =
S
S
S
S
M
th
th
th
+
2
Khi xét S << S
th
( S → 0) .Tỷ số
S
S
th
nhỏ , gần đúng coi
S
S
th
= 0. .Lúc này
đặc tính cơ có dạng đơn giản : M =
S








+








+
2
2
'
2
11
'
2
2
1
3
nm
X
R

1
=
P
f
1
.
2
π
= const .
Và độ trượt không thay đổi. Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp
này.
Hình 1-8.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp cấp cho
động cơ
Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho M
th
giảm nhanh.Tuy nhiên S
th
không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải
không đổi : quạt gió , máy bơm ly tâm. Không thích hợp với phụ tải thay đổi.
2) Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto ( R
2
+ R
2f
).
Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điều
chỉnh xung điện trở . người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R
2f
vào mạch rôto.
Ta có : ω
1

kđ
tăng lên .Sau đó
mômen khởi động sẽ giảm . Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm
của phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp .
3) Ảnh hưởng của tần số lưới điện f
1
cấp cho động cơ :
Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và
lồng sóc.
Xuất phát từ biểu thức : ω
1
=
P
f
1
.
2
π
ta thay đổi tần số f
1
làm cho tốc độ
từ trường quay thay đổi → tốc độ động cơ thay đổi theo.
Khi f
1
> f
1đm
ta có : ↓ S
th
=
( )

’

Mômen tới hạn sẽ giảm theo quy luật :
↓ M
th
=
( )
↑
≈
+
f
LL
P
f
U
2
1
'
21
2
2
1
1
2
1
2
8
π
Thực tế khi f
1

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng
trở của mạch giảm ( vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số ) với giá trị điện
áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần số
cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ định
mức
Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng :
- Khi f
1
< f
1đm
với điều kiện
f
U
1
1
= const thì M
th
giữ ở không đổi
- Khi f
1
> f
1đm
thì M
th
tỉ lệ ngịch với bình phương tần số
Khi tăng giảm tần số f
1
cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động
cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng .
4) Ảnh hưởng của số đôi cực P .

của động cơ
.
a) b)
Hình1.11 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ
a) Thay đổi số đôi cực với P
2
= P
1/2
và M
th
= const
b) Thay đổi số đôi cực với P
2
= P
1/2
và P
1
= const
5) Ảnh hưởng của điện trở , điện kháng mạch stato .
Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R
1f
) hoặc điện kháng (X
1f
) nối
tiếp vào phía stato của động cơ .Tốc độ từ trường không đổi: ω
1
=

const , S
th

dòng cần phải điều chỉnh cả điện áp . Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường
có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều
chỉnh tốc độ . Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mômen tới hạn
M
th
, khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ số quá tải mômen λ
M
Với λ
M
=
M
M
th

Hình 1-13. Xác định khả năng quá tải về mômen
Nếu bỏ qua điện trở của dây cuốn stato R
s
= 0 thì từ
M =
( )
s
F
RL
U
s
rms
2
2
2
0

M
M
th
=
M
M
dm
thdm
(1.8)
Thay (1.7) vào (1.8 ) và rút gọn ta được :
ω
0
U
s
=
ω
dm
sdm
U
0
M
M
thdm
Đặc tính cơ gần đúng của các máy sản xuất ( phụ tải ) có thể viết như sau :
M
c
= M
đm

x









ω
ω
=
2
1
x
sdm
s
f
f
+








với x = 0 ;
±
1 ; 2

vòng ta giả thiết các điều kiện sau đây trong khi mô hình hóa động cơ:
- Các cuộn dây Stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.
- Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua.
- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không.
Ta có phương trình điện áp stator :
f
ss
f
s
f
s
s
f
s
j
dt
d
iRu
ψω
ψ
++=
Phương trình điện áp roto:
f
rr
f
r
f
r
r

ψ

Phương trình momen:
( ) ( )
r
rc
s
scM
ipipm ×−=×=
ψψ
2
3
2
3

Phương trình chuyển động:
dtp
Jd
mm
c
TM
ω
+=
Trong đó:
- m
T
: momen tải.
- J: momen quán tính cơ.
-
ω

sq
= i
s
β
cosθ - i
s
α
sinθ
• αβ  u,v,w

w
1
( 3. )
2
1
( 3. )
2
u s
v s s
s s
i i
i i i
i i i
α
α β
α β
=
= − +
= − −
• d,q  αβ

Từ đó ta thu được hệ phương trình:
20

___
__ __ ____
____
__ ____
____ __ __
____ __ __
0
f
f f f
r
s s s s r
f
f f
r
r r r r
f f f
r s s r m
f f f
r s m r r
d
u R i j
dt
d
R i j
dt
i L i L
i L i L

: từ (1.10) có:

)(
)(
1
____________
________
m
f
s
f
r
r
m
s
f
s
f
s
m
f
s
f
r
r
f
r
Li
L
L

sds
sq
sd
s
rq
m
rd
rm
sqssd
rs
sd
T
i
T
L
dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LTLL
i
TT
i
dt
di

σ
1
1
111
)
11
(
111
)
11
(
−−=
+−=
+
−
+
−
−
−
+−−=
+
−
+
−
++
−
+−=
(1.12)
Biến đổi tiếp hệ (1.10) với điều kiện chọn trục d trùng với vecto ψ
r

u
LLTL
iip
T
ψ
ω
ψ
σ
ωψ
σ
σ
ω
σ
ψ
σ
σ
ψ
σ
σ
ω
σ
σ
=
=+
+
−
−−=+
+
−
+

2
3
f
s
f
r
r
m
cM
i
L
L
pm
∧=
ψ
Thay đại lượng véc tơ bằng các phần tử của nó : i
s
f
= i
sd
+ji
sq
vµ ψ
s
f
= ψ
sd
+jψ
rq
ta cã:

/R
s
: hằng số thời gian stator.
- T
r
=L
r
/R
r
=hằng số thời gian rotor.
-
( )
srm
LLL ./1
2
−=
σ
hệ số tiêu tán tổng
Trên cơ sở hệ phương trình trên ta xây dựng sơ đồ mô phỏng trong Simulink :
Hình 1-15 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục(d-q)
22
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH
Chuyển hệ phương trình về miền Laplace và thay
rq
ψ
=0 và
rq
d
dt
ψ

T s
s I s
T T
I s w w s
T
σ
σ
σ
σ
σ
σ
σ
ψ
σ σ
σ
ψ
σ σ
ψ
ψ

 
+
−
= + +

 ÷
 


 

=
−
+
2.1.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh Risq
'
sq
s r
'
r
( ) (1 ) ( )
I (s)
w = w +
T (s)
sd r rd
rd
I s sT s
ψ
ψ
= +
(2.2)
Thay(2.2) vào phương trình 1 và 2 của (2.1) ta thu được thành phần dòng i
sq
như sau:
'
r rd
1
1 1- 1
( ) w (s) 1 ( )
r
sq r sq

sq
r
s
sq r r
I
T T
K
U T T T T s L T s
σ
σ σ
σ
= =
+ + +
23
Với:
1
1
( )
2
r
s r
r
r
T T
K
L T T
T T
T
T T
σ

NL
K
G
T s
=
+
Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul để tổng hợp bộ điều khiển. Khi đó hàm
truyền kín của hệ thống có dạng:
2 2
1
1 2 2
MC
F
s s
τ τ
=
+ +
Khi đó hàm truyền bộ điều khiển được tính theo công thức:
isq
1
isq
1
1 1
(1 )2
. (1 )2
1 1
NL
BBD
NL
R

 
+
= = +
 ÷
 
2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ:
Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ di bộ như sau:
24
BBD
Hình2.2. Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ
Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện Isq có dạng:
isq
2 2
1
1 2 2
NL NL
F
T s T s
=
+ +
Để đơn giản ta bỏ qua thành phần bậc cao, khi đó hàm truyền có dạng:
isq
1
1 2
NL
F
T s
=
+
Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền đối tượng của mạch vòng điều khiển tốc

w
2
2 2
2 2
w
1 4 1 4
3
1 1
(1 )8
. . .(1 )8
1 2 2
m
c
NL r
s s
R
L
S s s
p s s
T s L Js
τ τ
τ τ
τ τ
+ +
= =
+
+
+
Chọn
2

 ÷
 
w w
w
1
1R K
T s
 
= +
 ÷
 
Với
w
8
NL
T T=
25