TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ
Đề tài:Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng biến
tần dựa trên nguyên tắc tựa từ thông rô to

Nhóm 23:
 Nguyễn Xuân Hòa
 Đinh Xuân Linh

Giáo viên hướng dẫn:Nguyễn Đăng Toàn
Lời nói đầu
Như ta đã biết động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc với ưu điểm nổi bật là giá thành
hạ,cấu tạo đơn giản ,vận hành tin cậy và rẻ hơn so với động cơ điện một chiều và dung
trực tiếp được điện 3 pha mà không cần chỉnh lưu vì vậy động cơ này được sử dụng rộng
rãi trong thực tế sản xuất
Nhược điểm của động cơ này là khó điều chỉnh tốt như và khó khăn về mặt khống chế
các quá trình quá độ và các chỉ tiêu khởi động cũng xấu hơn động cơ điện một chiều.vấn
đề đó hiện nay được hạn chế khá đáng kể từ khi bộ biến tần xuất hiện và đạt chất lượng
điều chỉnh tương đương với điều chỉnh động cơ điện một chiều .nổi bật trong đó là các hệ
biến tần – động cơ không đồng bộ có điều khiển véc tơ được coi là có chất lượng cao
nhất và phức tạp nhất.nội dung của bản báo cáo này nghiên cứu những đặc điểm và khái
niệm cơ bản của hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng biến tần
dựa trên nguyên tắc tựatừ thông rô to và đây cũng là phương pháp được sử dụng phổ biến
ở hệ thống yêu cầu độ chính xác cao về tốc độ và đáp ứng tốt về mô men
Tuy hiện nay các loại biến tần đã được bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trường
của các hãng Toshiba, Omron, Siemens ... với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau
như : theo luật U/f không đổi, điều khiển vectơ tựa từ thông roto.. nhưng việc tìm hiểu để
chọn ra một phương pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một phương pháp điều khiển
mới sao cho tối ưu về giá thành, độ chính xác, độ tin cậy thì vẫn còn những tranh luận vì
mỗi loại đều có ưu nhược khác nhau.Bản đồ án này của chúng em xin được trình bày rỏ
hơn


•

Sơ đồ cấu trúc gồm:

phần lực: động cơ truyền động quay máy sản xuất(MSX), bộ biến đổi năng lượng
BBD(chỉnh lưu, ĐAXC, ĐAMC, biến tần )
Phần điều khiển: các thiết bị đo lường( như biến dòng, máy phát tốc), bộ điều chỉnh R
tín hiệu điều khiển hệ thống gọi là tín hiệu đặt ngoài ra còn có các tín hiệu nhiễu loạn
(như moment cản)
•

Hoạt động của hệ thống có thể được mô tả như sau:

Tín hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh R các bộ điều chỉnh R nhận tín hiệu
thông báo sai lệch về trạng thái làm việc của chuyển động thông qua so sánh tín hiệu đặt
và tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động. Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh
được khuyếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lượng động và
tĩnh của hệ thống truyền động.
•

Phân loại:

-Phân loại theo động cơ có hệ truyền động một chiều, hệ truyền động xoay chiều
Phân loại theo tín hiệu điều chỉnh có bộ điều chỉnh tương tự và bộ điều chỉnh số
-Phân loại theo thuật toán điều chỉnh có hệ truyền động thích nghi, hệ truyền động điều
chỉnh vectơ.
1.2 những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện


Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ thực hiện được

rãnh đặt dây quấn
dây quấn stato:dây quấn stato động cơ không đồng bộ là dây đồng được phủ sơn các
điện,gồm ba cuộn dây AX,BY,CZ đặt lệch nhau 1200 trong rãnh stato

rô to lồng sóc

rô to dây quấn

b.lõi thép roto: làm bằng các lá thép kĩ thuật điện,mặt ngoài có xẻ rãnh,ở giữa có lỗ để lắp
trục,ghép lại thành hình trụ.
dây quấn roto: có hai kiểu:
-

dây cuốn kiểu roto lồng sóc.

-

dây cuốn kiểu roto dây cuốn


 Rôto kiểu dây quấn :

Rôto dây quấn có kiểu giống như dây quấn stato và có số cực bằng số cực ở stato .
Trong động cơ trung bình và lớn dây quấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được
các đầu nối , kết cấu dây quấn chặt chẽ . Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng
tâm một lớp . Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao , ba đầu ra của nó nối
với ba vòng trượt bằng đồng thau gắn trên trục của rôto .Ba vòng trượt này cách điện với
nhau và với trục ,tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than .Thông qua chổi than có thể đưa
điện trở phụ vào mạch rôto,có tác dụng cải thiện tính năng mở máy , điều chỉnh tốc độ ,
hệ số công suất được thay đổi


dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như ,điện áp
statotor ,điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp...
2.2.những phương án thường sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ trong
công nghiệp :
- Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ
- Điều chỉnh điện trở mạch rôto
- Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ .
a.Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ .(dùng bộ biến đổi tristo)
Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều
chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách điều chỉnh giá trị
điện áp stato trong khi giữa nguyên tần số

Hình
2-1
Điều
chỉnh
điện
áp
động
cơ
không
đồng
bộ
a) sơ đồ khối nguyên lý . b)đặc tính cơ điều chỉnh


Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ ba pha phải dùng các bộ biến đổi điện
áp xoay chiều .Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tưởng (Z = 0) thì căn cứ vào
b

M =M
(n/n ) = M
(n/n )
c
cđm
đm
cđm
1
Thì tổn thất trong mạch rôto khi điều chỉnh điện áp là :
x
∆P = M
(n/n ) . n . (1-n/n )
r
cđm
1
1
1


Tổn thất cưc đại:
∆P

max

=M
.n=P
cđm
đm

Như vậy tổn thất tương đối trong mạch là:



R =R +R .
r
rd
f
•

R

rd

R

f

Trong đó :

: điện trở dây quấn rôto .
:điện trở ngoài mắc thêm vào mạch rôto
•

Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơ
không thay đổi và độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở . Nếu coi đoạn
đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha , tức là đoạn có độ trượt
từ s =0 đến s = s là thẳng khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết:
th

s = s . R /R
M = const

mạch.
Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều.
Khoá T đóng , điện trở R bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên. Khoá T ngắt
1
0
1
điện trở R lại được đưa vào mạch, dòng điện rôto giảm. Với tần số đóng ngắt nhất định,
0
nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có giá trị điện trở tương
đương R trong mạch.Thời gian ngắt :
e
t =T–t .
n
đ
nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt t ta điều chỉnh trơn
n
được giá trị điện trở trong mạch rôto
= R . T /(t +t ) + R . t /T = R p
Re
0 d n d
0 d
0

Nhận xét:
ưu điểm:


có tốc độ phân cấp
tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ cơ bản làm cho
tự động hóa điều chỉnh được dễ dàng


= M /M
th

Hình 2-4.Xác định khả năng quá tải về mômen
•

Nếu bỏ qua điện trở của dây cuốn stato


Rs = 0 thì từ :
2 2
2
2
M = U /n . L .R /n . 1/F (s)
s 0
M r S
2 2
2 ( 2.
2
M = U /n . L /2 L L ) = K .(U /n ) (1)
th
s 0
M
s r
s 0
Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là :
γ

M

= (f /f
)
s sdm
0 0dm
s sdm
với x = 0 ; ± 1 ; 2
Như vậy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số ta
phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh điện áp đồng thời theo quy luật sau:
2
2
U /f = const ; U /f = const ; U /f = const
1 1
1 1
1 1


-

điều chỉnh từ thông:

Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều chỉnh tần số điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh.tuy từ thông động cơ
trên mổi đặc tính cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s,tức là phụ thuộc vào momen
tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần tìm cách
bù từ thông. Phương pháp này có nhược điểm là mổi đông cơ phải cài đặt một sensor do
từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đó gắn liền trong đó bị ảnh
hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông roto
mà không cần cảm biến tốc độ.
-


thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt
+

Điều chỉnh công suất trượt

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm
đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt

∆

ps=

δ

pđt được

tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao
này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng
được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối
cấp)
P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const.

Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng-khi điều chỉnh với

ω



pháp này.

III.MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
3.1 Mô tả động cơ không đồng bộ dưới dạng các đại lượng vectơ
Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần
người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian. Khâu điều khiển biến tần là
khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp
hành. Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học.
Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường kéo theo điều chỉnh cả điện áp ,
dòng điên hoặc từ thông mạch stato, do tính chất phức tạp của các quá trình điên từ trong
đông cơ không đồng bộ nên các phương trình , biểu thức đã phân tích không sử dụng trực
tiếp được cho trường hợp điều chỉnh tần số. Để thuận tiện cho việc khảo sát hệ thống điều
chỉnh tần số, dưới đây nêu phương pháp đánh giá quá trình điện từ dưới dạng các vectơ.
Trong động cơ không đồng bộ có 6 cuộn dây quấn trên mạch từ phương trình cân băng
điện áp của mỗi quận như sau:
uk = rk.ik+


trong đó chỉ số k là tên dây quấn.
Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ qua tổn hao sắt từ thì moment điện từ của động cơ là:
M == (5.25)
Để đơn giản trong khi viết coi động cơ có hai cực p’ = 1
Xem hình 5.10, trong đó các chỉ số bằng chữ thường a,b,c chỉ các dây quấn pha stator các
chỉ số bằng chữ in hoa A, B,C chỉ các pha roto, góc lệch giữa dây quấn roto và dây quấn
stator là θ thì tốc độ sẽ là đaọ hàm của góc này
ω=
Từ thông móc vòng của các dây quấn khi j = k có từ thông tự cảm, j ≠ k có từ thông hỗ
cảm Ψk =
(5.27)
ví dụ có thể tinh được từ thông của cuộn dây pha a stator:


Us = , ur = , rs = , rs =
Ls=

,

Lr =

Lm(v) = M
Thay thế các đại lượng trong (5.30),(5.31) và (5.32) vào (5.27) sau đó rút gọn được biểu
thức tính từ thông :
= (5.33)
Trong đó t chỉ ma trận chuyển vị.Tiếp tục thay thế 5.33 vào 5.24 và 5.25 được phương
trình mô tả động cơ không đồng bộ 3 pha,trong đó để đơn giản trong biểu diễn đã bỏ dấu
ngoặc ở các ma trận thông số.
= (5.34)
M= . .((v).ir))

(5.35)

Các phương trình này là phương trình phi tuyến và có hệ số biến thiên theo thời gian vì
điện cảm phụ thuộc góc quay : v = +
Ngay cả ở chế độ xác lập,� = const thì hỗ cảm giữa ro to và stato cũng biến thiên có tính
chất chu kỳ.


Hình 3.41: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha

Tóm lại Phương trình đối xứng điện áp của nhóm cuộn dây mạch stator 3 pha là:
dψA

 =
 ua   0
 ub   0
  
 u c   0

0 0 0 0 0  i A   ψ A 
R 0 0 0 0   iB   ψ B 
0 R 0 0 0   iC   ψ C 
×  + p 
0 0 R 0 0   ia   ψa 
0 0 0 R 0   ib   ψ b 
    
0 0 0 0 R   i c   ψ c 

Hoặc có thể viết: u = Ri + pΨ
Phương trình từ thông được viết ở dạng ma trận:

 ψ A   LAA
ψ  L
 B   BA
 ψ C   LCA
 =
 ψ a   L aA
 ψ b   L bA
  
 ψ c   LcA

LAB L AC L Aa L Ab L Ac   i A 
L BB L BC L Ba LBb LBc   i B 


H×nh2-1: T¬ng quan gi÷a hÖ to¹ ®é αβ vµ to¹ ®é ba pha a,b,c
Ba vÐc t¬ dßng ®iÖn stator ia, ib, ic tæng hîp l¹i vµ ®¹i diÖn bëi mét vÐc t¬ quay trßn i s .
VÐc t¬ kh«ng gian cña dßng ®iÖn stator:
a=e

j

2Π
3

is =

2
(ia + aib + a 2 ic )
3


Muèn biÕt is cÇn biÕt c¸c h×nh chiÕu cña nã lªn c¸c trôc to¹ ®é: isα,isβ.

i s = i sα + ji sβ

1
i sα = Re{is } = (2ia − ib − ic )
3

u

u