ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



b) Phần quay (phần ứng) hay rôto

- Lõi sắt: Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi sắt được

ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh

để đặt dây quấn.

- Rôto và dây quấn rôto:

Có thể phân loại động cơ KĐB theo hai loại: Rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc.

+ Loại rôto kiểu dây quấn (hình 2-2): Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Trong

các động cơ có công suất trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì

bớt được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong động cơ có công

suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường

được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố

định ở một đầu trục, và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngooài. Đặc

điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở

phụ vào mạch điện rôto để cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình

thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch.



Hình 2-2 Rôto kiểu dây quấn

+ Loại rôto kiểu lồng sóc (hình 2-3): Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn

stato. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi

lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm

thành một cái lồng gọi là lồng sóc.

Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở

máy, trong động cơ công suất tương đối lớn rãnh rôto có thể làm thành những rãnh sâu

hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc (hay còn gọi là lồng sóc kép). Trong động cơ công suất

nhỏ, rãnh rôto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục.



7



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



c) Khe hở

Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong động cơ KĐB rất nhỏ (từ

0,2 ÷ 1 mm trong động cơ công suất cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ

lưới vào. Và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của động cơ cao hơn.



Hình 2-3 Rôto kiểu lồng sóc

2.1.2 Ưu nhược điểm của động cơ KĐB

Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ và nhiều chủng

loại nên động cơ không đồng bộ là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành

kinh tế quốc dân. Với công suất từ vài chục đến hàng ngàn k W. Ví dụ như trong công

nghiệp thường được dùng làm nguồn động lực cho các loại máy cán thép, máy công cụ ở

nhà máy và ở các công trường xây dựng...vv. Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt

gió. Trong nông nghiệp dùng làm mới bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời

sống hằng ngày được sử dụng phổ biến như: quạt gió, máy quay, động cơ trong tủ lạnh…

vv. Tóm lại theo sự phát triển của nền sản xuất tự động hóa và sinh hoạt hằng ngày, phạm

vi ứng dụng của động cơ KĐB ngày càng rộng rãi hơn



8



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



Tuy vậy động cơ KĐB còn có những hạn chế như cosϕ mở máy thường không cao và

đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên trong một số trường hợp dùng động cơ không

đồng bộ không tiện lợi về mặt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Để khắc phục được những

yếu điểm này ngày nay người ta đã nghiên cứu ra các phương pháp cải tiến nâng cao hệ

số công suất cosϕ, tối ưu hóa việc mở máy động cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ có sử

dụng thêm bộ biến tần.

2.1.3 Đặc tính làm việc của động cơ KĐB

Ðể thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, ta sử dụng sơ đồ thay

thế như ở hình 2-4.



Hình 2-4 Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ

Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau:

+ Ba 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

của Rôto, mạch từ không bão hòa nên điện kháng ,

không đổi .

+ Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ

phụ thuộc điện áp đặt vào stato động cơ.

+ Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.

+ Ðiện áp lưới hoàn toàn hình sin và đối xứng ba pha.

Với những giả thiết trên, ta có sơ đồ thay thay thế ở hình 2-4, trong đó :

+

Uf1: là trị số hiệu dụng của điện áp stato

+



Iµ, I1, I’2: là các dòng điện từ hóa, Stato và dòng điện rôto đã quy đổi về Stato



9



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



+



xµ, x1, x’2: là các điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tải stato và điện kháng tải rôto



đã quy đổi về stato.

+



Rµ, R1, R’2 : Các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây Stato và Rôto đã



quy đổi về stato.

+ s là độ trượt của động cơ



(2.1)



+ 1 là tốc độ góc của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ:

(2.2)

Trong đó :

f1: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato

p : Số đôi cực từ động cơ

ω : Tốc độ góc của động cơ

Phương trình đặc tính động cơ có dạng:

M=



+

+



'

3.U 21.R2

f

' 2





R2 

2

ω1.s.  R1 + ÷ + xnm 

s 











(2.3)



Biểu thức (2.3) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị ta sẽ được đường cong như hình 2-5.



10



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



ω

S



M



1

0



s=0



Hình 2-5 Ðồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong M =f(s) ở công thức (2.3) bằng

cách giải phương trình :



dM

= 0 ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị ký hiệu là

ds



Mth và sth (mômen và độ trượt tới hạn) cụ thể là :

sth = ±



'

R2



(2.4)



2

R12 + xnm



Thay (2.4) vào (2.3) ta có Mth là :

M th = ±



+



(



3.U 21

f



2

2ω1 R1 ± R12 + xnm



)



(2.5)



Trong hai biểu thức trên, dấu (+) tương ứng với trạng thái động cơ (Ð) , dấu (-) ứng



với trạng thái máy phát (F).

Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, người ta

quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính lúc này

thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ s ≤ sth.

Ðường đặc tính cơ của động cơ làm việc ở chế độ động cơ được thể hiện trên hình

2-6.



11



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



ω S

0



0



M



1



Hình 2-6 Ðồ thị đặc tính cơ tự nhiên và nhận tạo của động cơ KÐB 3 pha

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện

hơn bằng cách lập tỷ số giữa (2.3) và (2.5), sau khi biến đổi, ta được phương trình đặc

tính cơ:

M=



2.M th .(1 + a.sth )

s sth

+ + 2.a.sth

sth s



(2.6)



Trong đó:



(2.7)



Từ phương trình (2.3) hay (2.6) ta thấy có thể thành lập phương trình đặc tính cơ

bằng thực nghiệm dựa vào các số liệu động cơ đã cho ban đầu có dạng là M=f(s) hay M =

f(ω).

Khi cho thông số độ trượt s thay đổi trong khoảng 0÷1 ta sẽ xây dựng được đường

đặc tính cơ của động cơ.

+



Ðường đặc tính cơ tự nhiên ứng với R‘2f=R‘f=0 , tức là R’2 không đổi .



+



Ðường đặc tính cơ nhân tạo (đặc tính cơ biến trở) ứng với R‘2f=R‘f≠0



+



Các điểm đặc biệt ứng với các giá trị của s là : s=0, s=1, sđm, sth.



12



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



2.1.4 Mở máy động cơ KĐB

Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tính quan trọng

nhất trong các đặc tính của quá trình mở máy. Muốn cho máy quay được thì mômen mở

máy phải lớn hơn mômen tải tĩnh và mômen masát tĩnh hay tổng chung là mômen cản

MC. Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về mômen như sau:

dω

M − Mc = J.



(2.8)



dt



Trong đó J là hằng số quán tính của động cơ (hay mômen quán tính của rôto : Kg.m 2).

Từ biểu thức (2.8) ta thấy muốn đảm bảo tăng tốc thuận lợi, trong quá trình mở

máy phải giữ được



dω

> 0 , nghĩa là M > Mc .

dt



Với một quán tính như nhau M – M c càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh. Ngược lại

những máy có quán tính lớn thì thời gian mở máy lâu. Đối với những trường hợp có yêu

cầu mở máy nhiều lần thì thời gian mở máy ảnh hưởng nhiều đến năng suất lao động.

Khi bắt đầu mở máy thì rôto đang đứng yên, hệ số trượt s=1 nên trị số dòng điện

mở máy có thể tính theo mạch điện thay thế như sau:

I kd = I nm =



U f1



(2.9)



( R + C . R ) + ( x + C .x )

1



1



' 2

2



1



1



' 2

2



x



1

Trong đó C1 ≈ 1 + x



µ



Trên thực tế, do mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng

điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính được ở công thức (2.9). Ở điện áp định mức,

thường dòng điện mở máy bằng 4÷7 lần dòng điện định mức. Với dòng điện quá lớn

không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp lưới giảm sút rất

nhiều, nhất là đối với những lưới điện công suất nhỏ.

Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện KĐB lúc làm việc thường phài mở máy

và ngừng nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về

mở máy của động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi

cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ

điện phải có tính năng mở máy thích ứng.



13



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



Khi mở máy một động cơ điện cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau:

 Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.

 Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.

 Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.

 Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.

Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi dàng điện mở

máy nhỏ thì thường làm cho mômen mở máy iảm theo hoặc cần thiết bị đắt tiền. Vì vậy

cần phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp.



2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB bằng thay đổi tần số nguồn

cấp

2.2.1 Quy luật điều khiển

Công thức thay đổi tốc độ động cơ theo tần số:

ω = (1 − s )ω1 = (1 − s )



2π f1

2π f

= (1 − s )

p

p



(2.10)



Ngoài ra khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ tiêu năng

lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ.

Quan hệ Uf1 (f) gọi là quy luật điểu khiển tần số. Trong thực tế hai quy luật điều

khiển tần số được sử dụng rộng rãi là: Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi

(hay luật điều khiển tần số cơ bản), luật điều chỉnh bù điện áp. Mục này ta chỉ xét theo

quy luật điều khiển tần số cơ bản.

Phương pháp điều khiển tần số cơ bản là một phương pháp điều chỉnh bằng phẳng,

động cơ điện có thể quay với bất cứ tốc độ nào. Với điều kiện khả năng quá tải không đổi

có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp Uf1, tần số f và mômen M.

2π . f

Trong công thức (2.5) tính mômen tới hạn của động cơ, ta thay ω1 =

và

p



xnm = 2π . f .Lnm ta được:

M th =



3. p.U 21

f



(2.11)



2π . f .[ R1 + R12 + (2π . f .Lnm ) 2 ]



14



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



Khi coi R1≈0 và Lnm = const thì ta có Mth tỉ lệ với điện áp pha Uf12 theo biểu thức:

M th = C.



U 21

f



(2.12)



f2



Trong đó C là hệ số tỉ lệ.

Điều khiển điện áp-tần số cơ bản phải đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi

tần số khác nhau:

λ=Mth/Mc=Const ∀f



(2.13)



Với giả thiết khi tần số nguồn cấp là f ’ động cơ sẽ có U‘f1 và mômen M’C, M’th. Khi

đó ta có tỉ số MC/Mth = M’C/M’th. Suy ra :

' 2

'

'

M C M th U f 1 f 2

=

= 2 . '2

M C M th U f 1 f



(2.14)



Từ công thức (2.14) biến đổi ta được:

U 'f 1

U f1



=



'

f ' MC

.

f MC



(2.15)



Trong quy luật điều khiển tần số cơ bản cũng như trong thực tế (ví dụ máy cắt gọt

kim loại) yêu cầu về mômen định mức cũng như mômen cản của động cơ là không đổi

khi tần số nguồn cấp thay đổi. Vì vậy trong công thức (2.15) ở trên ta coi như M’ C≈MC,

từ đó ta có quan hệ :

U f1

f



=



(U f 1 ) dm

f dm



= const



(2.16)



Trong công thức (2.5) tính mômen tới hạn của động cơ, ta thay ω1 =



2π . f

và

p



xnm = 2π . f .Lnm ta được:

M=



'

3. p.R2 .U 21

f

' 2





R2 

2π . f .s  R1 + ÷ + 4.π 2 . f 2 .L2 

nm

s 











=



2



U 

. f 1 ÷

2



  f 

R' 

  R1 + 2 ÷



s 





2π .s  

+ 4.π 2 . f .L2 

nm

f













'

3. p.R2



(2.17)



Khi thay đổi tần số f của nguồn cấp để điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thời điều

chỉnh cả điện áp pha Uf1 theo một quy luật quan hệ tuyến tính Uf1/f=const.

Cũng từ biểu thức (2.17) ta thấy đặc tính mômen của động cơ thay đổi theo độ truợt s và

tần số f của nguồn cấp.



15



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



2.2.2 Bộ biến đổi tần số

Để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều đặt vào từng động cơ, ngày nay người ta

dùng các bộ biến tần trực tiếp hoặc biến tần gián tiếp qua trung gian điện áp một chiều

dùng nghịch lưu dòng hoặc nghịch lưu áp.

Ưu điểm của bộ biến tần trực tiếp là điện áp ra gần như hình sin, hiệu suất cao và

khả năng hãm tái sinh động cơ điện. Tuy nhiên do có nhược điểm sử dụng nhiều triristo

khiến mạch điều khiển phức tạp và đắt. Hơn nữa tần số ra hạn chế trong khoảng từ 0÷f/3

nên nó chỉ thích hợp với truyền đông ở tần số thấp, công suất lớn. Hiện nay bộ biến tần

loại này đã ít được sử dụng.

Với bộ biến tần qua trung gian điện áp một chiều, sử dụng bộ nghịch lưu dòng cho

phép điều khiển tần số từ 0÷f dùng cho động cơ có công suất từ vài kW đến hàng ngàn

kW. Bộ biến tần nghịch lưu áp cho điện áp ra trên tải dạng xung vuông (hình 2-7). Nó

cũng cho phép phép điều khiển tần số từ 0÷f dùng cho động cơ có công suất dưới 100

kW.

Sơ đồ mạch động lực của một biến tần nguồn áp như sau :



Hình 2-7 Sơ đồ mạch lực biến tần

Một bộ biến tần bao gồm các khối chức năng chính như : Khối chỉnh lưu , mạch

lọc và nghịch lưu độc lập nguồn áp . Nghịch lưu độc lập nguồn áp bao gồm 06 khoá bán

dẫn S1 ..S6 điều khiển hoàn toàn và 06 diot nối song song ngược với các khoá bán dẫn

Nguyên lý của việc tạo điện áp xoay chiều ba pha đối với một bộ biến tần nguồn

áp được chỉ ra trên đồ thị (Hình 2-8).



16



Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha



Đồ thị mô tả quy luật chuyển mạch của các khoá bán dẫn để tạo thành điện áp

xoay chiều ba pha, mỗi khóa dẫn trong khoảng một nửa chu kỳ chuyển mạch . Điện áp

dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng xung là 2/3 chu kỳ và thoả mãn

điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa .

U ab (t ) =



∞

2 3

1

kπ 



U d ∑ sin  kωet +

÷

π

6 



−∞ k



(2.18)



Trong đó k = 1..6 ; c = 0, ±1, ± 2... , ωe = 2π / 3 . Giá trị hiệu dụng của chuỗi điều hoà là

Uab = 0,816Ud



(2.19)



Thành phần sóng điều hoà bậc 1 có biên độ được xác định như sau :

1

U abm =



2 3



π



U d =1,103U d



(2.20)



17