BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ
o0o

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG ỨNG DỤNG
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ
CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”
(Ứng dụng điện tử công suất lớn)
Mã số: KC.06.23.CN
Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng

Thực hiện chuyên đề: KS. PHẠM THU PHƯƠNG


1.2.4. Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển
mạch tự nhiên 17

1.2.4.1. Quá trình chuyển mạch 18
1.2.4.2. Mômen của động cơ 20
1.2.4.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động 21
a) Khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức 21
b) Khởi động dùng phơng pháp dòng gián đoạn. 21
c) Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ. 21
1.2.5. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần
nguồn dòng 22

1.3. Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23
1.3.1. Mô tả toán học động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23
1.3.2. Vec tơ không gian và các hệ toạ độ biểu diễn ĐCKĐB rô to ruột quấn 26
1.3.3. Mô hình trạng thái ĐCKĐB rô to ruột quấn trên các hệ toạ độ 27
1.3.4. Điều khiển động cơ KĐB rô to dây quấn 30
1.3.4.1. Phơng pháp điều chỉnh điện áp stator động cơ bằng bộ điều áp xoay
chiều 30

1.3.4.2. Điều chỉnh điện trở mạch rotor 32
1.3.4.3. Điều chỉnh công suất trợt 34
1.3.4.4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ 37
2
1.4. Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc 37
1.4.1. Vector không gian và hệ toạ độ từ thông 37
1.4.2. Mô hình toán học động cơ KĐB rotor lồng sóc 39
1.4.3. Các phơng pháp điều khiển động cơ KĐB rô to lồng sóc 42
II. Phơng pháp điều khiển động cơ KĐB rôto lồng sóc bằng các
thiết bị điện tử công suất lớn 42

2.3.1.6. Mô hình khối ớc lợng mômen: 74
2.3.2. Kết quả mô phỏng: 74
2.3.3. Nhận xét, đánh giá 77

3
Lời Mở đầu
Trong công nghiệp nói chung và trên tàu thuỷ nói riêng, hầu nh mọi máy móc
thiết bị đều đợc dẫn động bởi động cơ điện. Với sự phát triển không ngừng của tự động
hoá, việc truyền động bằng động cơ điện là chủ yếu ở trong mọi lĩnh vực của các ngành
công nghiệp
Do yêu cầu của từng hệ thống truyền động điện, việc điều khiển động cơ, điều
khiển truyền động đợc thực hiện với nhiều phơng pháp khác nhau. Tuy nhiên, việc
điều khiển các động cơ công suất lớn luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu.
Trên tàu thuỷ với nguồn điện là các trạm phát điện có công suất hữu hạn phù hợp
với các không gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị
công suất lớn, động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển,
không gian, trọng lợng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển.
Ngày nay, việc ngày càng nghiên cứu cải tiến các phơng pháp điều khiển tối u
cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ ứng dụng các phần tử điện tử công suất lớn
là nhằm giải quyết các yêu cầu đó.
4
I. Động cơ công suất lớn và các phơng pháp điều khiển:
1.1. Động cơ 1 chiều
1.1.1. Mô hình toán học
Hiện nay, động cơ 1 chiều (Đ) vẫn đợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống
truyền động điện chất lợng cao, do có dải công suất rộng. Hình 1.1 là sơ đồ kết cấu
chung của Đ, phần ứng đợc biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở
phần stato có thể có dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập, dây quấn kích từ nối
tiếp, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù. Hệ thống phơng trình mô tả Đ thờng là phi
tuyến, trong đó các đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng là điện áp phần ứng

trong đó: p số đôi cực của động cơ
N số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
K = pN/2a hệ số kết cấu của máy
Mô men điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét
qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:


== k
a
Np
E
2
'
(1.2);

trong đó: - tốc độ góc của rô to
Trong chế độ xác lập, có thể tính đợc tốc độ góc qua phơng trình cân bằng điện
áp phần ứng:

5


=
k
IRU
u

(1.3);

trong đó: R

I(p)

N
N
p I(p) + E(p) (1.5)
Hoặc dạng dòng điện:
)]()()([
1
/1
)( pEppNpU
pT
R
pI
N
u
u

+
=
(1.6);
trong đó: L

- điện cảm mạch phần ứng
N
N
số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
T

L


K
pN
1
U
K
-
-
U
M
M
C
Hình 1.1- Sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều

Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập (N
N
= 0) thì có thể viết các phơng trình:
Mạch phần ứng:
)]()].[([)]([)]([)(
0000
ppKpIIpLpIIRpUU
Buu


+


+

+


CconstK ==

(1.11)
)()1)(()( pCpTpIRpU
uuu

+
+
= (1.12)
)()()( pJppMpIC
cu

=
(1.13)
class="bi x19 y0 wd h2a"
8
Điều chỉnh hai thông số: từ thông và suất điện động cấp cho mạch kích từ động
cơ.
Dới đây ta sẽ lần lợt xét từng phơng pháp điều khiển.
1.1.2.1 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ:

Bỏ qua ảnh hởng của suất điện động của động cơ
)1(21
1
.
1
)(
)(
pTpTKpU
pI

Với S
w
là sen sơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền K
w
và
hằng số thời gian (lọc) T
w
. Thờng T
w
có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T
s
= 2T
s
+ T
w
, đối
tợng điều chỉnh có hàm truyền:
)1'2(
1
.)(
02
+
=
pTPTKK
KR
pS
sci
u

(1.20)

R
pTK
R
c
u



pT
K
+1
U
Wđ
-I
C
M
C
E
HCD
-
U
W
S
W
9
1.1.2.2. Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI:
Trong nhiều thiết bị công nghệ thờng có yêu cầu hệ thống điều hỉnh vô sai cấp
cao, khi này cơ thể sử dụng phơng pháp tối u đối xứng để tổng hợp các bộ điều chỉnh.
Với mạch vòng điều chỉnh tốc độ hàm truyền của bộ điều chỉnh có dạng:
pKT

u

(1.23)
Thông qua hàm truyền mạch hở có thể tìm đợc hàm truyền mạch kín F(p), đồng
nhất F(p) với hàm chuẩn tối u đối xứng ta tìm đợc tham số của bộ điều chỉnh.
Nếu chọn T
s
= T
s
thì: T
0
= 8T
s

'
2
'4.
.'8
)'2(8
.
.
.
s
ci
u
s
s
ci
u
T



(1.25)
Tổng hợp hệ thống theo phơng pháp tối u đối xứng thờng phải dùng thêm
khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu đặt này thờng có hàm
truyền của khâu lọc thông thấp bậc nhất, có hằng thời gian lọc thuỳ thuộc vào gia tốc
cho phép của hệ thống.
Hàm truyền mạch kín của hệ thống:
1]1).'21(.'4[.'8
.'81
)(
)(
)(
+++
+
==
pTpTpT
pT
pU
pU
pF
sss
s
d



(1.26)
Căn cứ vào biểu thức trên có thể tính đợc hàm truyền đối với tín hiệu nhiễu loạn
dòng điện tải:

+++
+

=


=
pTpTpT
pTPT
TK
IRT
R
pTK
pIpI
p
sss
ss
c
cus
u
c
c

(1.28)
1.1.2.3. Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện:

Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng quá dòng lớn lại không có yêu cầu
cao về điều chỉnh gia tốc, hoặc khi sử dụng các truyền động công suất nhỏ dùng bộ băm
xung áp có tần số làm việc lớn đến mức không xuất hiện vùng dòng điện gián đoạn thì
có thể không cần xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

K
+1
cuc
u
u
TTppT
pT
K
R
2
2
1
)1(
)(
++
+

w
w
pT
K
+1
cuc
D
TTppT
K
2
1 ++
R
w

)1)(1(
)(
21
++
=

, T
s
= T
b
+ T
w
(1.30)
với hệ số a = 1 thì hàm truyền hệ kín sẽ là:
1)21(2
1
)(
)(
++
=
pTpTpU
pU
ssd


(1.31)

Hệ thống đạt vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển. Nếu hệ thống có hằng số
thời gian cơ học T
c

k
, T
k
thông số dây quấn kích từ;
T
v
hằng số thời gian dòng xoáy
T
sk
tổng các hằng số thời gian nhỏ trong mạch kích từ
11
Các hằng số thời gian T
k
, T
v
phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tính từ hoá, do
đó chúng là phi tuyến, tuy nhiên tỷ số giữa chúng là không đổi. Trong trờng hợp điều
chỉnh từ thông thì cần có sen sơ từ thông:
v
v
k
pT
K
pI
p
+
=

1)(
)(



==
)(
)(
(1.35)
Do đó độ dốc của khối N1 sẽ là:


dm
N
K =
1
(1.36)

Khối N1 có thể đợc thực hiện bằng mạch khuếch đại kiểu thông số
)1)(1(
1
1
)(
skk
v
k
ok
pTpT
pT
R
pS
++
+

d
iRU
dt
d
iRU




++=
+=
(2.2)
Đối với mạch kích từ:
dt
d
iRU
Kt
ktktkt

+= (2.3)
Đối với mạch cuộn dây khởi động:
.
,
dt
d
iRU
dt
d
iRU
D

KDktkd
pQq
ddkd
Q
D
kt
q
d
Q
D
kt
q
d
LL
LLL
LLL
LL
LLL
L
i
i
i
i
i
i
000
00
00
000
00

v
I
sc
Ud
U
d
U
q
q
I
q
0
I
0
c
U
k1
d
v
Ud
0
I
0
c
U
k1
v
I
s
U

, L
kD
, L
Dk
là
hỗ cảm giữa các trục.
Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ đồng bộ trình bày trên H-1.9. Ngoài ra có thể dùng
phép biến đổi tuyến tính với hai trục cố định


,
để mô tả toán học động cơ (xem H-
1.8c).
1.2.2. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập
Từ hệ phơng trình mô tả toán học (2.2) đến (2.7), thay toán tử đạo hàm
0=
dt
d
,
đồng thời gần đúng, bỏ qua điện trở stato (R
s
= 0), ta nhận đợc các phơng trình chế độ
xác lập:
qqsd
XIUU ==

sin
(2.8)
ddsq
xIEUU ==

2
Im
sin1cos
cossin
q
qd
d
s
d
dq
x
xX
X
U
X
E
III
(2.12)
Đồ thị vectơ đợc vẽ trên H.1-10, trong đó góc

là góc lệch giữa điện áp và sức
điện động, còn gọi là phụ tải, góc

là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp,

là góc
lệch pha giữa dòng điện và sức điện động (Đối với máy cực ẩn X
d
= X
q

d
) và nghịch lu tiristo (NL). Để đảm bảo NL làm việc đợc
trong chế độ chuyển mạch tự nhiên, động cơ phải ở chế độ quá kích từ. Lúc đó NL thực
chất là chỉnh lu làm việc trong chế độ nghịch lu bị động với điện áp động cơ, vì vậy
trong mạch nghịch lu không có các phần tử chuyển mạch.
18
PWM
R
I
R
w
Vi xử lý
Mạch
ghép nối
I/O
Mạch xử lý
tín hiệu
Sevo. on
Tín hiệu vị trí rô to
PG
M
U
I
U
w
U
+
-
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần tranzito PWM


4
; T
4
T
5
; T
5
T
6
; T
6

T
1
). Trong một chu kỳ điện áp của động cơ có 6 lần chuyển mạch. Do dòng điện vợt
trớc điện áp, nên khi chuyển mạch: đối với tiristo đợc mở điện áp có chiều thuận ( (+)
anốt; (-) catốt); tiristo bị khoá, điện áp có chiều ngợc ((+) catốt; (-) anốt). Vì vậy cần
phải có tín hiệu đồng bộ với sức điện động hoặc điện áp động cơ. Từ đó mạch phát xung
sẽ phát xung mở sớm một góc so với điện áp của động cơ. Việc tạo tín hiệu đồng bộ có
thể dùng mạch đo vị trí rôto hoặc đo trực tiếp điện áp động cơ.
19
T
1
w
L
d
R
d
T
1

5
T
6
b)
a)
Hình 1.12 : a) Nguyên lý làm việc của nghịch luu, b) Thứ tự dẫn các tiristo

Trên Hình 1.13 khảo sát quá trình chuyển mạch từ T
5
sang T
1
. Tại thời điểm trớc
chuyển mạch cặp tiristo T
5
T
6
đang dẫn dòng I
d
, lúc đó







=
=
=
=

C
T
1
T
5
T
6

Cuối quá trình dẫn T
5
T
6
, cho xung mở T
1
, điện áp U
cA
> 0, U
a
< 0 nên T
1
mở, lúc
đó tạo thành mạch vòng ngắn mạch: T
1
pha a pha c T
5
T
1
. Dòng điện i của mạch
vòng cùng chiều với dòng qua T
1

trong đó

là góc trùng dẫn,

là góc phục hồi đặc tính khoá,

đợc tính
q
t


(t
q
là thời gian khoá tiristo)
Nếu góc

không đủ lớn, T
5
không kịp khoá dẫn đến lật chế độ nghịch lu.
20
Phơng trình dòng điện và điện áp khi chuyển mạch.
dt
di
dt
di
dt
di
LU
dt
di

Với điều kiện đầu i
a
= 0; Giải (6-16) nhận đợc
()
[]


coscos
2
= t
L
U
i
m
a
(2.17)
Khi
,


=
t

i
a
= I
d
; i
c
= 0. ta có:

(2.19)
Điện áp khi chuyển mạch
b
ca
cm
U
UU
U
+
=
2
(2.20)
Góc lệch pha giữa dòng và áp điều hoà bậc 1

5,0
1
=
(2.21)
1.2.4.2. Mômen của động cơ
Mô men động cơ sinh ra do tác dụng của từ trờng cực từ
r

và từ trờng phần ứng
s

s
. Do trong một chu kỳ nghịch lu chuyển mạch 6 lần, từ trờng phần ứng
s

sẽ

srtb




++=
3/
0
3/2sin
3/
1
(2.24)


cos
3
srtb
KM =
(2.25)
2/0
2/0;2/00






==

<


,
dòng I
d
giảm về giá trị 0. lúc này ta cho xung mở tiristo nghịch lu để tiến hành chuyển
mạch. Mặc dù lúc đó điện áp thấp nhng dòng I
d
đã giảm về 0, nên chuyển mạch đã thực
hiện đợc, phơng pháp khởi động này thờng thực hiện ở công suất lớn, tải nhẹ.
c) Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ.
Phơng pháp này giống nh khởi động động cơ đồng bộ ta thờng gặp. Nhng nó
chỉ ứng dụng với động cơ có cuộn dây khởi động (hoặc rôto có lồng sóc khởi động) và
động cơ vận hành với lới điện áp xoay chiều.
6-7.4. Quy luật điều khiển
Việc nghiên cứu quy luật điều khiển ở đây, tơng tự nh trong truyền động điều
khiển tần số động cơ không đồng bộ. Tức là cần phải lập luật điều khiển nh thế nào đó
để trong suốt giải điều chỉnh động cơ sinh ra mô men khắc phục mômen phụ tải và tổn
22
thất là nhỏ nhất. Đối với truyền động động cơ đồng bộ dùng bộ biến đổi dòng điện
chuyển mạch tự nhiên, mômen động cơ phụ thuộc vào ba đại lợng:
I
d
quyết định giá trị từ thông ứng
,
s


I
kt
dòng kích từ quyết định giá trị từ thông

d
(2-26) trong đó: C là hằng số.
Điều chỉnh mômen theo quan hệ (2-26), truyền động động cơ đồng bộ tơng đơng
với truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập.
1.2.5. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần
nguồn dòng
Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ biến tần nguồn dòng rất đa dạng.
Mạch lực gồm có bộ chỉnh lu tiristo CL I cuộn cảm lọc một chiều L
d
, nghịch lu tiristo
NL II, mạch kích từ dùng chỉnh lu tiristo CL II
Mạch điều khiển gồm ba phần:
a) Mạch điều khiển chỉnh lu có hai mạch vòng điều chỉnh: tốc độ

R và dòng điện
R
I
.
b) Mạch điều khiển kích từ có một mạch vòng điều chỉnh kích từ đảm bảo giữ dòng
kích từ không đổi.
c) Mạch điều khiển nghịch lu có ba phần chính: Mạch tạo tín hiệu đồng pha, mạch
dịch pha tạo góc vợt trớc

và mạch phân phối xung, khuếch đại xung.
Mạch tạo tín hiệu đồng pha ở đây dùng cơ cấu đo vị trí rôto đợc cấu tạo bởi đĩa
gắn cứng vào trục rôto và bốn đầu đo optron (cấu tạo đĩa đo ứng với động cơ 2p = 4). Ba
đầu đo O
1
, O
2

E
sẽ là hằng số. Đồng thời với việc
đặt trớc góc

= const, ta có:
M

= CI
s
= C
l
I
d
. (2.28)
Nh vậy mômen trung bình của động cơ đồng bộ sẽ đợc điều khiển tơng tự nh
mômen động cơ một chiều.
Khởi động hệ truyền động: ở đây sử dụng phơng pháp khởi động không đồng bộ,
nối trực tiếp với lới để tốc độ đạt đến (10 15%) tốc độ định mức sau đó đa bộ biến
đổi tần số vào làm việc đảm bảo điều kiện chuyển mạch tự nhiên (Đầu tiên k đóng ở vị
trí 1, khi khởi động đến 10 15%
dm

, K chuyển sang vị trí 2).
Truyền động thực hiện hãm tái sinh: lúc đó bộ chỉnh lu CL
I
có góc điều khiển
0
90>
I


150=
II

ở chế độ động cơ,

= 150
0
,
0
30=
II

trong chế độ hãm tái
sinh.
Mômen động cơ đợc tính:


cos
3
ss
IU
M =
(2.29)
Nếu ta giữ

= const, và

U
= const, thì mômen động cơ sẽ tỷ lệ với dòng I
d


=
k
kjk
ijL .

; (3.2)
trong đó: k,j là tên các cuộn dây quấn pha
j = k điện cảm tự cảm
j k điện cảm hỗ cảm
Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ qua tổn hao sắt thì mô men điện từ của động
cơ là:
dt
d
iM
k
k
k


=
2
1
(3.3)
Góc lệch giữa trục dây quấn cùng pha của rôto và stator là thì tốc độ quay của
rôto là đạo hàm của góc này
dt
d



A
= R
B
= R
C
= R
r

L
aa
= L
bb
= L
cc
= L
s1
L
AA
= L
BB
= L
CC
= L
r1
(3.5)
L
ab
= L
bc
= L


cosMLLLLLL
CccCBbbBAaaA
=
=====
)
3
2
cos(


+====== MLLLLLL
AccAcbbcBaaB
(3.6)
)
3
2
cos(


====== MLLLLLL
aCCacBBcbAAb

Để tiện lợi trong khi trình bày ta biểu diễn các đại lợng trên dới dạng vectơ và
quy ớc ký hiệu vec tơ bằng chữ in đậm.