MÔMEN KHỞI ĐỘNG của ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ ROTOR LỒNG sóc làm VIỆC với BIẾN tần

Với khả năng phát triển của kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn công suất, sự ra đời của các bộ biến tần đã giúp việc điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ trở nên thuận lợi,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MÔMEN KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC

LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số ngành: 60 52 50

1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp đòi hỏi động cơ điện phải có mômen khởi động lớn Ví dụ: hệ thống cầu trục, hệ thống băng tải, thang máy, máy cán Trước đây, các hệ thống này thường sử dụng động cơ điện một chiều để thực hiện truyền động do tính đơn giản trong điều khiển, song động cơ điện một chiều đã bộc lộ nhiều nhược điểm như: vận hành không an toàn, chi phí bảo dưỡng cao và chiếm nhiều không gian so với động cơ điện xoay chiều có cùng công suất…

Do có cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp hơn so với động cơ điện một chiều và sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều nên động cơ KĐB ba pha thường được sử dụng Về cấu tạo, có thể chia động cơ KĐB 3 pha làm hai loại: động

cơ rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc

Quan hệ giữa tốc độ và mômen biểu hiện đặc tính cơ của động cơ, có thể tạo

ra các đường đặc tính cơ phù hợp với yêu cầu phụ tải bằng cách thay đổi các thông số của động cơ Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính cơ bao gồm:

 Ảnh hưởng điện kháng phụ nối vào mạch stator

 Ảnh hưởng điện trở phụ nối vào mạch rotor

 Ảnh hưởng của điện áp lưới cấp cho động cơ

 Ảnh hưởng số đôi cực của dây quấn

 Ảnh hưởng của tần số cung cấp cho động cơ

Khi giảm điện áp cung cấp hay nối thêm điện kháng vào mạch stator thì mômen của động cơ giảm rất lớn (bình phương lần) nên biện pháp này không được dùng trong trường hợp khởi động động động cơ đang mang tải Để đạt được mômen lớn lúc khởi động, có thể nối thêm điện trở vào mạch rotor - chỉ áp dụng cho động

cơ KĐB rotor dây quấn, hạn chế của biện pháp này là tổn hao trên điện trở lớn và động cơ vận hành không an toàn Ngoài ra, có thể thay đổi số cực bằng cách thay đổi cách đấu dây ở stator của động cơ, tùy theo cách đấu dây mà có thể thay đổi được mômen, tuy nhiên nhược điểm của biện pháp này tốc độ động cơ thay đổi nhảy cấp

Với khả năng phát triển của kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn công suất, sự

ra đời của các bộ biến tần đã giúp việc điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ trở nên thuận lợi, tạo sự thích ứng về mơmen khởi động động cơ khi cĩ tải, hạn chế việc phải thay đổi kết cấu động cơ hay phải sử dụng thêm các thiết bị phụ dùng để khởi động Điều này càng phát huy tính hiệu quả khi sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sĩc, do cĩ cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, chắc chắn

1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu mômen khởi động của động cơ KĐB 3 pha khi làm việc với biến tần

Đề đạt được mục tiêu này, cần phải thực hiện các nội dung sau đây:

 Tìm hiểu các tài liệu liên quan

 Tìm hiểu về bộ biến tần

 Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha

 Nguyên lý điều khiển động cơ KĐB 3 pha

 Xây dựng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha – biến tần

 Mô phỏng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha – biến tần trong môi trường MATLAB

 Phân tích và đánh giá kết quả

1.3 PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Phạm vi nghiên cứu:

Do bị giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong các các vấn đề sau:

 Nghiên cứu biến tần và động cơ KĐB 3 pha

 Các nguyên lý điều khiển động cơ KĐB 3 pha

 Mômen khởi động của động cơ KĐB 3 pha

 Mô phỏng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha – biến tần trong môi trường MATLAB

2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp chủ yếu sử dụng trong đề tài này là:

 Tìm kiếm tài liệu tham khảo và cập nhật thông tin qua mạng Internet Trao đổi với giáo viên hướng dẫn, nhiệm vụ được giao và các vấn đề có liên quan

 Liên hệ tham khảo ý kiến của các chuyên gia về vấn đề nghiên cứu

 Xây dựng mô hình mô phỏng trong môi trường MATLAB/simulink, phân tích đánh giá kết quả và đưa ra một số đề xuất trong tương lai

 Thiết lập bộ điều khiển U/f không đổi

1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

 Ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ KĐB

 Sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi mômen khởi động lớn

1.6 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn được trình bày qua các chương như sau:

- Mục lục

- Giới thiệu về đề tài

- Chương 1: Biến tần và phương pháp điều khiển

- Chương 2: Mô hình động cơ KĐB 3 pha

- Chương 3: Nguyên lý điều khiển mômen động cơ KĐB 3 pha

- Chương 4: Mômen khởi động của động cơ KĐB 3 pha làm việc với biến

tần nguồn áp

- Kết luận và hướng phát triển đề tài

1.3 Bộ biến tần gián tiếp.

1.3.1 Bộ biến tần gián tiếp nghịch lưu nguồn áp

1.3.2 Bộ biến tần gián tiếp nghịch lưu nguồn dòng

1.4 Phương pháp điều khiển bộ biến tần

1.4.1 Khái niệm

1.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

1.4.3 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)

ra Với chức năng đó, bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động

cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, bằng cách hay đổi góc kích và tần số cắt chuyển của các khóa bán dẫn sẽ thay đổi được biên độ và tần số của điện áp ngõ ra Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới một pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta có thể mắc vào tải động cơ ba pha

Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn

- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

b.Theo cấu trúc mạch điện, có các bộ biến tần:

- Bộ biến tần gián tiếp (biến tần có khâu trung gian một chiều): gồm biến tần dùng bộ nghịch lưu áp và biến tần dùng bộ nghịch lưu dòng, cùng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn hoặc với quá trình chuyển mạch cưỡng bức.

Hình 1.1 Sơ đồ khối các bộ biến tần gián tiếp

a Biến tần nghịch lưu nguồn áp

b Biến tần nghịch lưu nguồn dòng

- Bộ biến tần trực tiếp (biến tần không có khâu trung gian một chiều còn gọi là cycleconvertor)

Bộ biến tần gián tiếp trước tiên phải chỉnh lưu dòng điện xoay chiều của lưới thành dòng điện một chiều, sau đó lại qua bộ nghịch lưu chuyển dòng điện một chiều

thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được, vì vậy còn được gọi là bộ biến tần có khâu một chiều trung gian Bộ biến tần trực tiếp thì biến đổi dòng điện xoay chiều của lưới có tần số hằng thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được, không có khâu một chiều trung gian Trên thực tế bộ biến tần gián tiếp được sử dụng nhiều hơn

Bảng 1.1: So sánh các đặc điểm chủ yếu của bộ biến tần gián tiếp và bộ biến tần trực tiếp

Loại Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp

Hình thức chuyển đổi

năng lượng lượng, hiệu suất thấp Hai lần chuyển đổi năng lượng một lần, hiệu suất Chuyển đổi năng

cao

Phương thức chuyển

đổi dòng điện

Đổi chiều cưỡng bức hoặc dùng phương pháp dao động phụ tải để đổi chiều

Điện áp nguồn đổi chiều

Số lượng linh kiện của

Tần số lớn nhất ở đầu

ra nằm trong phạm vi 1/3

~1/2 của tần số nguồn Hệ số công suất mạng

điện

Khi điều áp dùng chỉnh lưu điều chỉnh được, hệ số công suất khá thấp khi điện áp thấp; khi điều áp bằng bộ sóng răng cưa hoặc dùng phương thức PWM thì hệ số công suất cao

Tương đối thấp

Phạm vi sử dụng Có thể dùng để dẫn động

các loại thiết bị với điện áp và tần số nguồn ổn định, điện nguồn không bị cắt

Rất thích hợp với truyền dẫn công suất lớn, tốc độ thấp

1.3 Bộ biến tần gián tiếp

Cấu tạo gồm có bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn điện xoay chiều ở ngõ vào thành nguồn điện một chiều và bộ nghịch lưu biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều ở ngõ ra, có tần số khác tần số nguồn Với cấu tạo như trên, người ta có thể điều khiển tần số ngõ ra một cách độc lập không phụ thuộc tần số vào

Các bộ biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ hàng kW đến vài trăm kW Phạm vi hoạt động của tần số khoảng vài chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa của chúng có thể đạt đến vài MW và tần số tối đa khoảng vài chục kHz

Mục so

sánh

1.3.1 Bộ biến tần gián tiếp nghịch lưu nguồn áp:

IM C

Hình 1.2: Cấu tạo của bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp

a) Mạch trung gian một chiều

Có chứa tụ C điện dung rất lớn, mắc vào ngõ vào của bộ nghịch lưu Điều này giúp cho mạch trung gian hoạt động như một nguồn điện áp Tụ điện phối hợp với cuộn cảm L của mạch trung gian nắn điện áp chỉnh lưu Do tác dụng của diode nghịch đảo bộ nghịch lưu, điện áp đặt trên tụ có thể đạt các giá trị dương Lúc này mạch trung gian đóng vai trò một cái kho tích trữ năng lượng, sau đó năng lượng này được đưa qua bộ nghịch lưu, biến thành nguồn điện xoay chiều có tần số có thể thay đổi được

b) Bộ nghịch lưu áp

Dạng 1 pha hoặc 3 pha Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình cưỡng bức Trong trường hợp đặc biệt, bộ nghịch lưu làm việc không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài

c) Bộ chỉnh lưu

Có nhiều dạng khác nhau, mạch hình tia, hình cầu 1 pha hoặc 3 pha, thường gặp nhất là mạch cầu 3 pha Nếu như bộ chỉnh lưu 1 pha và bộ nghịch lưu 3 pha, thì bộ biến tần thực hiện cả chức năng của một bộ biến đổi tổng số pha Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp của tải xoay chiều ra bộ chỉnh lưu, phải bắt buộc là bộ chỉnh lưu điều khiển Ngoài ra điện áp ra của bộ chỉnh lưu còn có thể điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung, thực hiện trực tiếp ngay trên bộ nghịch lưu, khi ấy bộ chỉnh lưu không cần điều khiển Nếu thực hiện truyền năng lượng theo hai chiều qua bộ biến tần, thì bộ biến tần thường trang bị bộ chỉnh lưu kép

1.3.2 Bộ biến tần gián tiếp nghịch lưu nguồn dòng

a) Mạch trung gian

Chỉ có cuộn cảm L Nhờ thế, mạch trung gian thực hiện chức năng nguồn dòng điện của bộ nghịch lưu Dòng điện của mạch trung gian có chiều không đổi Dòng

được cuộn cảm nắn Cuộn cảm còn thực hiện chức năng trao đổi năng lượng giữa tải tiêu thụ và mạch trung gian

IM L

Hình 1.3: Cấu tạo bộ biến tần nghịch lưu nguồn dòng

b) Bộ nghịch lưu dòng

Một pha hoặc thường gặp hơn cả là dạng ba pha tùy theo trường hợp, có thể là bộ nghịch lưu với quá trình chuyển mạch cưỡng bức hoặc quá trình chuyển mạch phụ thuộc Bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc về bản chất là bộ chỉnh lưu có quá trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều của tải và hoạt động trong chế độ nghịch lưu Từ đó phân biệt được các bộ biến tần có quá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ biến tần với quá trình chuyển mạch phụ thuộc

c) Bộ chỉnh lưu

Có nhiều dạng khác nhau, mạch hình tia, hình cầu một pha hoặc ba pha Khi có yêu cầu phải truyền năng lượng theo hai chiều, thì chỉ cần bộ chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu được Thông thường sử dụng mạch cầu ba pha có điều khiển Điện áp và dòng điện tải có thể điều khiển được theo phương pháp điều khiển không được dùng

ở đây Để giảm bớt hiện tượng quá điện áp trên các linh kiện bán dẫn của bộ nghịch lưu, có thể dùng bộ nghịch lưu có chứa mạch tích năng lượng

1.4 Phương pháp điều khiển bộ biến tần

ra của bộ nghịch lưu áp có thể có 2 hay nhiều mức khác nhau Tuỳ thuộc vào điều đó

ta có bộ nghịch lưu áp 2 bậc và bộ nghịch lưu áp đa bậc (từ 3 mức trở lên) Sự khác biệt giữa 2 mức áp kế nhau cũng chính là điện áp tối đa đặt lên linh kiện trong quá

trình linh kiện ở trạng thái OFF Khi số bậc càng lớn, với cùng một mức áp và dòng điện ngõ ra, các chỉ tiêu về độ méo dạng tổng thể do sóng hài (THD), kích thước mạch lọc ngõ ra (trường hợp có dùng mạch lọc) và công suất chuyển mạch đều giảm

so với mạch nghịch lưu áp 2 bậc cơ bản

Các bộ nghịch lưu áp hai bậc chứa hai khoá bán dẫn (IGBT) trên mỗi nhánh pha tải, được áp dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch DC thay đổi giữa hai bậc giá trị khác nhau

Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc (dv/dt ) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng common-mode voltage)

Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn

Các Ưu Điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc:

 Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

 Điện áp đặt lên linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo

 Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp

ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc

 Điện áp common mode nhỏ hơn, nên làm giảm ứng suất trên trục động

cơ, nghĩa là tuổi thọ của động cơ tăng lên

 Cải thiện độ méo dạng sóng hài tổng

Như vậy, cóù thể điều khiển bộ nghịch lưu áp (điều khiển tín hiệu đóng ngắt lên các công tắc) bằng nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có thể thích hợp với các loại tải khác nhau Do biến tần đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu với tải công suất lớn nên vấn đề giảm bớt tần só đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng Các thuật toán cố gắn thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common –mode voltage, nguyên nhân gây

ra một số hiện tượng làm sớm lão hoá động cơ

1.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang carrier based-PWM được thực hiện bằng kỹ thuật Analog dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản là sóng điều khiển dạng sin với sóng mang tam giác, kết quả so sánh được dùng để điều khiển các linh kiện chuyển mạch (hình 1.4)

Tỉ số điều chế biên độ được định nghĩa là:

Trong đó: Uđk – biên độ của tín hiệu điều khiển

Um– biên độ của tín hiệu xung tam giác

Hình 1.4: Dạng sóng PWM

Trong trường hợp sóng điều khiển dạng sin (Sinusoidal Pulse Width Modulation SPWM), giới hạn trên của phạm vi điều khiển tuyến tính là ma = 0,785 Trong trường hợp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified SPWM) có cộng thêm thành phần Offset vào sóng điều khiển dạng sin cơ bản thì phạm vi điều khiển tuyến tính được mở rộng thêm ma = 0,907, nhược điểm của kỹ thuật này là tần số chuyển mạch cao, do đó tổn hao công suất chuyển mạch lớn

1.4.3 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM).

Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng pha tải, ta sử dụng một số sóng mang dạng tam giác và một sóng điều khiển dạng sin Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện tương ứng sẽ được kích ngắt

Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao Có thể chia thành ba loại như sau:

a Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition): Tất cả các sóng mang đều cùng pha nhau

Tín hiệu điều khiển

Hình 1.5: Dạng sóng PD

b Hai sóng mang kế cận liên tiếp bố trí lệch nhau 180 độ – gọi là APOD

(Alternative Phase Opposition Disposition )

Hình 1.6: Dạng sóngA POD

c Các sóng mang bố trí đối xứng qua trục zero (POD – Phase opposition Disposition)

Tất cả các sóng mang nằm trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và tất cả các sóng

mang nằm dưới trục 0 sẽ bố trí lệch đi 180 độ

Hình 1.7: Dạng sóng POD

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang

đa bậc cùng pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Riêng đối với bộ nghịch lưu áp 3 bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả

Chương 2:

MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Nội dung:

2.1 Giới thiệu động cơ KĐB 3 pha

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ

2.1.2 Từ trường quay của dòng điện ba pha

2.1.3 Cấu tạo của động cơ KĐB 3 pha

2.2 Mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha

2.2.1 Một số qui ước ký hiệu dùng điều khiển động cơ KĐB 3 pha

2.2.2 Biểu diễn vector không gian các đại lượng của động cơ KĐB 3 pha

2.2.3 Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB 3 pha

2.2.4 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ  cố định với stator

2.2.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ dq tựa theo từ thông

2.3 Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator bằng Matlab

Chương 2:

MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.1 Giới thiệu động cơ khơng đồng bộ ba pha

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ

Khi từ trường quay, từ thơng qua khung dây biến thiên làm xuất hiện dịng điện cảm ứng Khung dây cĩ dịng điện chạy qua đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ với chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay phải Tác dụng của dịng điện cảm ứng là chống lại sự biến thiên của từ thơng qua khung dây, lực điện từ do nĩ sinh ra cũng cĩ xu hướng chống lại sự biến thiên của từ thơng Lực điện từ tác dụng lên khung dây làm giảm sự thay đổi vị trí tương đối của khung dây với từ trường, làm khung dây quay theo từ trường Khi vận tốc quay của khung dây bằng với vận tốc quay của từ trường, dịng điện cảm ứng mất đi, lực điện từ cũng mất theo làm khung dây quay chậm lại nên vận tốc của động cơ luơn nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay Động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên gọi là động cơ khơng đồng bộ

2.1.2 Từ trường quay của dịng điện ba pha

Để tạo ra từ trường quay, theo nguyên tắc ta cĩ thể quay 1 nam châm vĩnh cửu Nhưng trong thực tế, từ trường quay tạo ra bằng cách này rất khĩ thực hiện

và khơng cĩ ý nghĩa cho việc chế tạo động cơ Trong thực tế, ta cĩ thể tạo ra từ trường quay rất mạnh bằng cách sử dụng dịng điện ba pha

Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dịng điện ba pha chạy vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200 Từ trường tạo ra cũng dao động điều hồ tương tự như dịng điện

Hình 2.1: Từ trường dao động điều hịa

Giả sử tại một thời điểm nào đĩ, từ trường cuộn 1 là cực đại, dương và hướng từ trong ra ngồi như hình 2.2 Theo hình 2.1, ta thấy từ trường các cuộn

2 và 3 bằng 0,5 giá trị cực đại, âm và hướng từ ngồi vào trong cuộn dây (hình 2.2) Như vậy, từ trường tổng cộng của 3 cuộn dây cĩ chiều trùng với từ trường cuộn 1 như hình 2.2

Hình 2.2: Chiều và độ lớn tại thời điểm từ trường cuộn 1 cực đại

Tương tự cách lập luận như trên, sau 13 chu kì, từ trường của cuộn dây 2 đạt cực đại và từ trường tổng hướng từ trong ra ngoài cuộn 2 Và sau 1 3 chu kì tiếp theo, từ trường cuộn 3 cực đại, từ trường tổng hướng từ trong ra ngoài cuộn 3 Như vậy, từ trường tổng được tạo ra từ dòng điện 3 pha quay quanh tâm O với tần số bằng với tần số của dòng điện

2.1.3 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ ba pha

Theo nguyên tắc hoạt động và cách tạo ra từ trường quay bằng dòng điện 3 pha

Ta thấy động cơ điện không đồng bộ ba pha cấu tạo gồm 2 bộ phận chính là stator và rotor

Stator có tác dụng như 1 bộ khung, trên đó có các cực từ để quấn các cuộn dây dùng tạo ra từ trường quay như hình 2.3

Hình 2.3: Cấu tạo Stator

Rotor, có dạng như 1 lõi hình trụ có thể nằm lọt trong stator, không tiếp xúc với stator nhưng càng khít càng tốt Trên rotor có các rãnh để quấn dây, có cùng số cực với dây quấn stator Các đầu dây ra được nối với vành trượt đư ợc cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các bộ giá đỡ chổi than Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm hoặc đồng) trong các rãnh rotor, chúng được nối tắt 2 đầu nhờ vòng ngắn mạch

Do kết cấu rất đơn giản và chắc chắn, động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sĩc được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơng nghiệp cũng như sinh hoạt Các thanh dẫn rotor thường được bố trí nghiêng 1 bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ cũng như giảm tiếng ồn và rung trong khi động cơ làm việc.

Hình 2.4: Cấu tạo Rotor

2.2 Mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha

2.2.1 Một số qui ước ký hiệu dùng điều khiển động cơ KĐB 3 pha

Để xây dựng mô hình mô tả động cơ KĐB 3 pha, ta thống nhất môt số qui ước ký hiệu cho các đại lượng và thông số của động cơ

Hình 2.5 Mô hình đơn giản của động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc

Trục chuẩn được qui ước là trục của cuộn dây pha A Sau đây là một số qui ước cho các ký hiệu

Hình thức và vị trí các chỉ số:

• Chỉ số nhỏ gĩc phải trên:

s đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ )

f đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thơng rotor (hệ tọa độ dq)

r đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục của rotor

• Chỉ số nhỏ gĩc phải dưới:

Chữ cái đầu tiên:

s đại lượng của mạch stator

r đại lượng của mạch rotor

Chữ cái thứ hai:

d, q phần tử thuộc hệ tọa độ dq

, phần tử thuộc hệ tọa độ 

a, b, c đại lượng ba pha thuộc các pha A, B, C

• Hình mũi tên (→) trên đầu: ký hiệu vector

• Độ lớn (modul) của đại lượng: ký hiệu giữa hai dấu gạch đứng (| |).

Các đại lượng của ĐCKĐB ba pha:

u điện áp [V]

i dịng điện [A]

 từ thơng [Wb]

Me momen điện từ [N.m]

MT momen tải (momen cản) [Nm]

ω tốc độ gĩc của rotor so với stator [rad/s]

ωs tốc độ gĩc của từ thơng rotor so với stator (ωs = ω + ωr) [rad/s]

ωr tốc độ gĩc của từ thơng rotor so với rotor (tốc độ trượt) [rad/s]

Các thơng số của ĐCKĐB ba pha:

Rs điện trở cuộn dây pha của stator [Ω]

Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator [Ω]

Lm hỗ cảm giữa stator và rotor [H]

Lσs điện kháng tản của cuộn dây stator [H]

Lσr điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator [H]

p số đơi cực của động cơ

J momen quán tính cơ [Kg.m2]

Các thơng số định nghĩa thêm:

Ls = Lm + Lσs : điện cảm stator

Lr = Lm + Lσr : điện cảm rotor

 :hệ số từ tản tổng

2.2.2 Biểu diễn vector không gian các đại lượng của động cơ KĐB 3 pha

Động cơ KĐB 3 pha được cấp nguồn từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, dây quấn ba pha đấu sao và khơng nối dây trung tính cĩ điện áp thõa phương trình:

Hình 2.6:Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ 

Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator uslên trục của cuộn dây tương ứng

Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωsvà tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc

ωst Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector điện áp stator uscó thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của vector Hệ tọa độ này là

hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ .

Hình 2.7:Vector không gian điện áp stator us và các điện áp pha

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator (us, us)

lên trục pha A và B, có thể xác định các thành phần vector điện áp theo phương pháp hình học:

s

sa

uu

sa

s

uu

u

u

u

23

32

12

13

as s

s

s

s

uu

uu

u

2321

2321

s s

u

u

2

32

1

2

32

1

01

(2.7)

2.2.3 Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB 3 pha

Đặc tính động của động cơ KĐB được mô tả bởi hệ phương trình vi phân Để xây dựng các phương trình cho động cơ, giả định lý tưởng hóa kết cấu dây quấn và mạch từ với các giả thuyết sau:

 Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian

 Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa của mạch từ

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

 Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi

Phương trình điện áp cho ba cuộn dây quấn stator

dt

)t(d)t(I.R)t(u

dt

)t(d)t(I.R)t(u

sc sc

s sc

sb sb

s sb

sa sa

s sa

Với usa(t), usb(t), usc(t) : điện áp trên ba cuộn dây pha của stator

Ψsa(t), Ψsb(t), Ψsc(t) : từ thông móc vòng trên ba dây quấn stator

(2.8a) (2.8b) (2.8c)

Biểu diễn điện áp theo dạng vector không gian:

 vector từ thông stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

Tương tự như đối với cuộn dây stator, ta thu được phương trình vector điện áp của mạch rotor khi quan sát trên hệ tọa độ rotor

dt

)t(d)t(I.R

r r r

là vector không (vector có môdul bằng không)

Phương trình của từ thông stator và rotor:

m r s

JM

Phương trình moment quay:

)(

.2

3)(

2

3

r r s

s

2.2.4 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator (hệ tọa độ )

Aùp dụng công thức chuyển hệ tọa độ, ta có:

e

Thay (2.18) vào phương trình (2.3), ta thu được phương trình tổng quát cho điện áp stator

k s k

k s k

s s k

s s s

r

dt

d)

dt

dI

R

u

s s s

s s s

.2

3)(

2

3

r r s

JM

Từ phương trình (2.21c) và (2.21d), ta có:

s s s

m s

Ldt

id.L.i

R

u

s s

r m s s s s

d

jT

1i

T

L

0

s r s

r r

s s r

m

s

r

s s s

s r r

r m

s

s s r r

2 m

s s

s s

s

.jT

1i

1

jT

1.L

L.L

1i

TL

L.L

1L

s s r

m

s

r

s s s

s r r

m

s s r s

s

s

.jT

1i

1

jT

1.L

1iT

1T

r s r

m

r

r r

r s r

m

r

s s r

m r

r m s

r s

s

s s r

m r

r m s

r s

s

T

1iT

L

dt

d

T

1iT

L

dt

d

u.L

1

.L

1

T.L

1i

T

1T

1

di

u.L

1

.L

1

T.L

1i

T

1T

r r s r

'

r

' r '

r r s r

'

r

s s r

m r

r m s

r s

s

s s r

m r

r m s

r s

s

T

1i

T

1i

1

.L

1

T.L

1i

T

1T

1

di

u.L

1

.L

1

T.L

1i

T

1T

2 m e

s r s r r

m

e

ii

p.L

p

1

T

L

1a





(2.26a) (2.26b) (2.26c) (2.26d)

(2.27a) (2.27b) (2.27c) (2.27d)

L.p.2

s r s r

e

r r

s

r

r r

s

r

s r

r s

s

s r

r s

s

MM

a

dt

d

ii

a

M

ai

a

dt

d

ai

a

dt

d

uaa

ai

a

dt

di

uaa

ai

6

' '

5 5

'

' '

5 5

'

4 ' 3 ' 2 1

4 ' 3 ' 2 1

2.2.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ tựa theo từ thông (hệ tọa độ dq)

Phương trình điện áp và từ thông động cơ trong hệ tọa độ tựa theo từ thông:

f s f

r

r

f s f

s s f

i

L.iL

i

.jdt

dI

jI

sq rd

e

r s

rq sq

rd

rq s

rd sd

rd

sq rd

rq sd

s sq

sq

sd rq

rd sq

s sd

sd

MM

a

dt

d

ia

M

ai

a

dt

d

ai

a

dt

d

uaa

aii

a

dt

di

uaa

aii

5 5

'

' '

5 5

'

4 ' 3 ' 2 1

4 ' 3 ' 2 1

(2.31a,b,c,d,e,f)

Với ωs – ω = ωr

2.3 Xây dựng mô hình động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ stator bằng Matlab

Từ hệ phương trình (2.29) ta xây dựng được mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ  như sau:

Từ các phương trình (2.29a,b,c,d,e,f) xây dựng được các khối sau:

 Khối chuyển đổi điện áp:

Hình 2.10 Sơ đồ khối của khâu chuyển đổi điện áp

Hình 2.11 Sơ đồ chi tiết của khâu chuyển đổi điện áp

 Khối chuyển đổi dòng điện:

Hình 2.12 Sơ đồ khối của khâu chuyển đổi dòng điện

Hình 2.13 Sơ đồ chi tiết của khâu chuyển đổi dòng điện

 Khối tính toán dòng điện is:

Hình 2.14 Sơ đồ khối của khâu tính toán dòng điện is

Hình 2.15 Sơ đồ chi tiết của khâu tính toán dòng điện is

 Khối tính toán dòng điện is:

 Khối tính toán từ thông:

Hình 2.18 Sơ đồ khối của khâu tính toán từ thông

Hình 2.19 Sơ đồ chi tiết của khâu tính toán từ thông

 Khối tính toán mômen:

Hình 2.20 Sơ đồ khối của khâu tính toán mômen

Hình 2.21 Sơ đồ chi tiết của khâu tính toán mômen

Chương 3:

NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÔMEN

Nội dung:

3.1 Đặc tính cơ của động cơ KĐB

3.2 Aûnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ

3.3 Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất

3.4- Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ với bộ biến tần nguồn áp 3.4.1 Hoạt động với tần số dưới định mức

3.4.1.1 Phương pháp E/f không đổi (E/f = const)

3.4.1.2 Phương pháp U/f không đổi (U/f = const)

3.4.2 Hoạt động với tần số trên định mức

3.5 Mômen khởi đđộng của động cơ làm việc với biến tần nguồn áp

Chương 3:

NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÔMEN

3.1 Đặc tính cơ của động cơ KĐB

Theo lý thuyết máy điện, phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ như sau:

)(

.3

nm

r s

r

s

RR

s

RU

Với: Xnm = Xs + Xr điện kháng ngắn mạch

Trong đó: Rs là điện trở mạch stator

r

R là điện trở mạch rotor quy đổi về phía stator

Xs là điện kháng mạch stator

r

X là điện kháng rotor quy đổi về phía stator

Bằng cách giải 0

nm s

r

XR

Rs

max

max max

2

)1

(2

kss

ss





2

3 2

Và

3.2 Aûnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ

- Aûnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ: khi điện áp lưới suy giảm,

momen tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp Trong khi đó, tốc độ đồng bộ ωđb giữ nguyên và độ trượt tới hạn smax không thay đổi

ω

M 0

ωđb

TN

U 1

U 2

Hình 3.1: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi giảm điện áp

- Aûnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stator: khi thêm điện trở phụ Rf hoặc điện kháng phụ Xf vào mạch stator thì ωđb = const, smax và Mmax giảm

ω

M 0

- Aûnh hưởng của số đôi cực p: nếu thay đổi số đôi cực thì ω1 thay đổi, độ trượt tới hạn

smax không thay đổi Khi thay đổi số đôi cực phải thay đổi cách đấu dây của động cơ, tùy từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến momen tới hạn Mmax của động cơ

ω

M 0

a) Trường hợp M = const

b) Trường hợp P = const

- Aûnh hưởng của điện trở mạch rotor: đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn,

khi thêm điện trở phụ Rf vào mạch rotor thì ω1 và Mmax không thay đổi, còn smax thay đổi tùy thuộc giá trị điện trở phụ thêm vào mạch rotor

ω

M 0

ωđb

R f1

R f2

TN

Hình 3.4: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi điện trở mạch rotor

- Aûnh hưởng của tần số lưới điện cấp cho động cơ: khi tần số lưới điện thay đổi sẽ làm

tốc độ từ trường ω1 và tốc độ động cơ thay đổi

Từ biểu thức (3.7), biến đổi ta có:

2 1 2 2

8

3fL

pUM

nm th

3.3 Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất

Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất là quan hệ giữa tốc độ và mômen, được biểu diễn dưới dạng tổng quát sau:

Trong đó:

Mco là mômen ứng với tốc độ ω = 0

Mđm là mômen ứng với tốc độ ωđm

Mc là mômen ứng với tốc độ ω

Một số trường hợp thường gặp:

 = 0: đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ, băng tải (đường 1, hình 3.5)

 = 2: mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, đây là đặc tính cơ của máy bơm, quạt gió (đường 2, hình 3.5)

 = -1: mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, đây là đặc tính cơ của máy cuộn, máy ly tâm (đường 3, hình 3.5)

ω

M 0

(1)

(2) (3)

M cđm

ω cđm

M co

Hình 3.5: Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất

3.4 Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ với bộ biến tần nguồn áp

Tốc độ đồng bộ của động cơ KĐB tỉ lệ trực tiếp với nguồn điện cung cấp Do đó, thay đổi tần số cung cấp cho động cơ sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và tương ứng là tốc độ và mômen của động cơ

Sức diện động cảm ứng E trong dây quấn stator tỉ lệ với tích của tần số cung cấp và từ thông trong khe hở không khí Nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn stator, có thể xem sức điện động tương đương với điện áp nguồn cung cấp Nếu giảm tần số nhưng giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí Động cơ thường được thiết kế làm việc định mức tại điểm bắt đầu bão hòa của đặc tuyến từ hóa, nên sự gia tăng từ thông sẽ dẫn đến bão hòa mạch từ Điều này khiến dòng từ hóa tăng, gia tăng tổn hao, gây tiếng ồn, gây méo dạng dòng và áp cung cấp Ngược lại, từ thông trong khe hở không khí giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng mang tải của động cơ Vì vậy, việc giảm tần số động cơ dưới tần số định mức thường đi đôi với việc giảm điện áp pha U sao cho từ thông trong ke hở không khí được giữ không đổi Khi động cơ làm việc với tần số cung cấp lớn hơn định mức, thường giữ điện áp không đổi và bằng định mức do giới hạn của cách điện stator hoặc của điện áp nguồn

Trong đó: f là tần số làm việc fđm tần số định mức của động cơ

3.4.1 Hoạt động với tần số dưới định mức (a<1)

Như đã nói ở trên, thường động cơ được điều khiển hoạt động với từ thông không đổi Từ thông động cơ là không đổi nếu dòng từ hóa được giữ cố định với mọi điểm làm việc Từ sơ đồ mạch tương đương khi đã quy đổi các đại lượng của rotor về phía stator

R s X s I s I r X r R r

s

E U

I m

X m

Hình 3.6: Sơ đồ mạch điện tương đương một pha của động cơ KĐB

Tại điểm làm việc định mức, ta có:

m đm

đm

1f

EI



Trong đó: Lm là điện cảm mạch từ hóa Tại tần số làm việc f:

m đm

1af

EI

3.4.1.1 Phương pháp E/f không đổi (E/f = const)

Giả thiết động cơ hoạt động với tần số f, từ mạch tương đương hình 3.6, suy ra:

2

2 2

2

r đm

r r

đm r

XsaR

EaX

sR

aEI

Với ωđb là tốc độ đồng bộ tương ứng với tần số định mức

Mômen điện từ của động cơ:

2

2

.3

.3

r r

r đm

đb

r r

sa

R as

REs

R

Ia

Với một tần số f cho trước, theo phương pháp từ thông không đổi, sức điện động

E được giữ không đổi Công suất điện từ của động cơ đạt cực đại tại độ trượt sm mà ở đó:

m

r

RX

Thay vào biểu thức (3.17), ta có mômen cực đại của động cơ là:

r

đm đb

E2

Ngoài ra các công thức (3.15) và (3.17) cho thấy rằng với một gí trị cố định của (a.s), dòng rotor Ir và mômen M là hằng số dù tần số f có thay đổi Có thể chứng minh được góc lệch pha giữa E và dòng rotor I cũng không đổi với cùng một giá trị r(a.s) Từ đây có thể suy ra rằng với cùng một giá trị (a.s), dòng stator cũng giữ nguyên Tóm lại, khi từ thông và (a.s) được giữ không đổi, các giá trị mômen của động cơ M, dòng stator Is và dòng rotor I cũng không đổi r

Khảo sát ý nghĩa của đại lượng (a.s) Từ công thức (3.16)

đb

sl đb

Các phân tích trên cho thấy, nếu điều khiển động cơ theo phương pháp từ thông không đổi, với cùng giá trị mômen động cơ, độ sụt tốc độ của động cơ so với tốc độ đồng bộ tương ứng (aωđb) sẽ không đổi với mọi tần số cung cấp Từ đây, có thể suy

ra đặc tính cơ của động cơ, với các tần số khác nhau là “song song” với nhau trong khoảng 0 < s < sm Dạng điển hình các đặc tính cơ của động cơ trong trường hợp này biểu diễn trên hình 3.6

ω

M 0

ω đb

Hình 3.7: Đặc tính cơ khi điều khiển E/f = const của động cơ KĐB

Từ công thức (3.20) có thể suy ra (a.s) không đổi cũng có nghĩa là tần số rotor không đổi:

đm

r đm

r

ff

fsa.s

Với s < sđm, thường có:

đm as constR

3.4.1.2 Phương pháp U/f không đổi (U/f = const)

Trong phương pháp này, khi điều chỉnh tần số f, tỉ số U/f được giữ không đổi và thường là ở định mức Cần lưu ý là khi mômen tăng, dòng động cơ tăng làm gia tăng sụt áp trên điện trở stator, dẫn đến E giảm, có nghĩa là từ thông động cơ giảm Do đó, động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

Biến đổi sơ đồ mạch điện tương đương một pha của động cơ KĐB hình 3.6, sơ đồ mạch điện tương đương Thevenin của động cơ KĐB như hình 3.8

Hình 3.8: Sơ đồ khối tương đương gần đúng của động cơ KĐB

Điện áp Thevenin:

2

m s s

m Th

XXR

XU

s

s s m

jXRjXZ

RR

UI

Th

r Th

Th r