TỔNG QUAN về ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ

Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhợc điểm, nh tốc độ của chúng phụthuộc 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

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ

Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứuảnh hưởng của từ trường dòng điện Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám phá ratrường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời Faraday tiếp tục khám phá ra cảmứng điện từ vào năm1831 nhưng phải đến năm 1833 thì Tesla mới phát minh ra động

cơ không đồng bộ xoay chiều Ngày nay, các động cơ điện chia làm 2 loại : động cơ

điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ

và động cơ không đồng bộ Cho đến ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫndựa trên các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla/

Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và phầnRotor quay Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ Rotor dâyquấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch)

1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay)

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm ghép lại Lõi sắt

là phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nhằm giảm tổn hao dodòng xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có sơn cách điện Mặt trong lõi thép

Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống nh ở stator Lõi sắt được Ðp trực tiếp lêntrục Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn.

c Dây quấn

Gồm 2 loại rotor dây quấn và rotor lồng sóc

- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn 3 pha rotor thườngđấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở 1 đầu trục và quachổi than có thể đưa điện ra ngoài Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ haysuất điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện mở máy, điều chỉnh tốc độ,hệ số côngsuất Bình thường làm việc dây quấn rotor nối ngắn mạch

- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sất được đật 1 thanh dẫn bằng đồng hoặcbằng nhôm và được nối tát ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm thành 1cái lồng người ta gọi đó là lồng sóc Dây quấn rotor lồng sóc không cần cách điện vớilõi sắt

3 Khe hở

Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm)

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặtđiện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trongkhe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của từ truờng nàyquay với tốc độ góc là:

p là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong các thanhdẫn Rotor (đối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rotor (đối với loại Rotor dâyquấn) Các dòng điện Rotor này đặt trong từ trường Stator quay nên sinh ra lực điện từ(lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra mômen quay Rotor , Rotor quay cùng hướngvới từ trường Stator quay

Lúc đầu khi từ trường Stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắt kịp

từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor càng giảm nên sức điệnđộng cảm ứng phía Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũng giảm theo

Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từđược sinh ra và rotor quay chậm lại Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc độ đông

bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của động cơ, saikhác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

1.1.3 Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Các động cơ không đồng bộ có ưu điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất được dễdàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại động cơđược sử dụng rộng rãi Chúng có Mômen quán tính và trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao,khả năng quá tải lớn và vững chắc Ngoài ra các động cơ không đồng bộ có thể làmviệc trong các môi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng không có khả năng đánhlửa Do những ưu điểm này mà động cơ không đồng bộ được ưu tiên quan tâm tìmhiểu nh bộ biến đổi năng lượng điện cơ

Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhợc điểm, nh tốc độ của chúng phụthuộc 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 bằnghằng số đối với tải và từ không tảI tới đầy tải Điểu này không giống nh các động cơđiện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch cácthành phần dòng điện sinh mô men và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụngt hì hệtruyền 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 sovới loại một chiều

1.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU

BA PHA

Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trước hết ta phải hiểu rõ mô hình độnghọc của nó Một phương pháp điều khiển tốt phải đáp ứng được sự thay đổi của côngnghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ đáp ứng được vấn đề

đó

Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp ứng đủ các hiệu ứng động học quan trọngxảy ra trong cả quá trình dừng và quá trình quá độ Nó cũng phải đáp ứng được cho bất

cứ sự thay đổi nào của nguồn cấp biến tần như là điện áp hay dòng điện

Để cho đơn giản, ta coi động cơ không đông bộ có những đặc điểm sau:

 Ba cuộn dây cuốn đối xứng nhau

 Bá qua ảnh hưởng của khe hơ không khí

 Độ từ thẩm của phần sắt là cao

 Mật độ từ thông trong khe hở không khí là hướng tâm

 Bá qua tổn hao sắt

1.2.1 Sơ đồ thay thế

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế đông cơ không đồng bộ

Đối với động cơ không đồng bộ có một số sơ đồ thay thế nh: sơ đồ thay thế hình T

hoặc hình .ở trên là sơ đồ thay thế hình  của động cơ không đồng bộ Trong sơ đồ

thay thế trên ta có :

U1 là trị số hiện dụng của điện áp pha stator

I0, I1 , I2: là các dòng điện từ hoá, dòng stato, dòng rôto quy đổi về stato

X0, X1, X2: là điện kháng tản mach từ hoá,stato, rôto đã quy đổi về stato

R0, R1 , R2: là điện trở của mạch từ hoá, cuộn dây stator, của rotor đã quy đổi về stator

S:hệ số trượt của động cơ

m là tốc độ góc của động cơ

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập Từ giản đồ

o

U1



 o

rfÑKB

R U Te

2 2

2 1

'

' 3

 (1.5)

Từ đó ta có đặc tính cơ của động không cơ đồng bộ

Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Ta có độ trượt tới hạn được tính nh sau:

' 2

2 12

3

nm

th

X R R

U Te

1.2.3 Các phương trình điện áp.

Ở trên ta đã nghiên cứu xây dung mô hình cũng như xác định đặc tính cơ của động

cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập Để thể hiện rõ tất cả các ảnh hưởng xuất hiệntrong chế độ xác lập cũng nhhư chế độ quá độ ta tiếp tục nh sau:

2 2 1 2 2 1

1 2

) ' ( ) ' (

'

x x S

r r

U I

n= 0-n +s

Điện áp của stator được viết trên hệ toạ độ gắn với trục động cơ Theo cách này, điện

áp rotor được viết trên hệ toạ độ quay gắn với rotor

Ta có thể biểu diễn phương trình trong hệ toạ độ tĩnh như sau:

( )( ) ( ) sA

2 1

coscoscos

1.2.4 Áp dụng phép chuyển hệ toạ độ Park

Để rút gọn biểu thức cho phương trình điện áp động cơ không đồng bộ, ta có thể ápdụng phép chuyển hệ toạ độ Park Về mặt vật lý có thể hiểu nó là việc chuyển từ bacuộn dây của động cơ không đồng bộ thành cuộn dây đặt vuông góc nhau nh hình vẽsau:

Hình 1.3 Sơ đồ của phép chuyển hệ trục toạ độ

Từ hình vẽ ta có thể thấy mối quan hệ giữa hai trục toạ độ được thể hiện như sau:

dụ một đại lượng pha quay với tốc độ góc có thể miêu tả trường điện từ quay Thêmvào đó, trong trường hợp đặc biệt là trạng thái dừng, khi đó điện áp cung cấp là hìnhsin và đối xứng, thì đại lượng không gian pha bằng với đại lượng pha điện áp ba pha.

Ta có thể mô tả bằng hình sau:

Hình 1.4 Chuyển đổi tương đương các cuộn dây của động cơ không đồng bộ

Để chuyển từ hệ trục toạ độ cố định sang hệ trục toạ độ không gian pha, ta phải thêmtoán tử a

2 3

j

a e  , a2e j43

(1.20)Khi đó, dòng điện trong không gian pha được biểu diễn nh sau:

2

2[1 ( ) ( ) ( )]

3

(1.21)

1.3.1 Véc tơ không gian dòng điện

Hình vẽ sau trình bày mô hình động cơ trong hai hệ trục, một hệ trục toạ độ D-Q cốđịnh gắn với stator, và hệ   trục gắn với rotor quay

Hình 1 4 – Mặt cắt ngang của động cơ KĐB với các hệ trục toạ độ gắn

trên Stator và Rotor

Dòng điện trong hệ toạ độ không gian pha được biểu diễn nh sau:

Khi biểu diễn trên hệ toạ độ gắn trên stator, trục thực của hệ trục toạ độ được ký hiệu

là sD, và trục ảo của nó được ký hiệu lá sQ Ta có thể viết phương trình dòng dướidạng sau:

32Im( ) Im[ (1 )]

2

2Re( ) Re[ (1 )]

32Re( ) Re[ (1 )]

32Re( ) Re[ (1 )]

Biểu diễn trong hệ toạ độ gắn với rotor, trục thực của hệ toạ độ được ký hiệu là r và

trục ảo của nó được biểu diễn bằng r

Dòng điện rotor trong không gian pha được biểu diễn nh sau:

m

j j

32Im( ) Im[ (1 )]

32Re( ) Re[ (1 )]

32Re( ) Re[ (1 )]

se

N

1.3.2 Từ thông trong không gian pha.

Trong phần này ta sẽ biểu diễn từ thông trong các hệ trục toạ độ khác nhau

1.3.2.1 Từ thông stator trong hệ toạ độ cố định gắn vói stator

Tương tù nh đối với dòng điện, từ thông được biểu diễn trên hệ trục toạ độ không gianpha nh sau:

Ta cũng có thể biểu diễn từ thông theo cách khác nh sau:

1.3.2.2 Từ thông rotor trong hệ toạ độ gắn trên rotor.

Từ thông rotor trong hệ toạ độ gắn với rotor được biểu diễn nh sau:

dòng điện stator biểu diễn trên hệ toạ độ gắn với rotor.Ta thấy cuối cùng từ thông phụthuộc vào 2 thành phần, đó là dòng điện rotor và dòng điện stator

Ta cũng có thể biểu diễn từ thông theo cách khác nh sau:

1.3.2.3 Từ thông rotor biểu diễn trên hệ toạ độ cố định gắn với stator.

Khi biểu diễn từ thông rotor trên hệ toạ độ gắn với stator, ta có thể dùng biến đổi e jm,

và được viết nh sau:

Hình 1.6 Dòng điện stator được biểu diễn trên hai trục toạ độ gằn với rotor và stator.

1.3.2.4 Từ thông stator trong hệ toạ độ gắn với rotor

Tương tù nh mục trên ta dễ dàng suy ra được công thức tính từ thông.

1.3.3 Điện áp stator và rotor trên hệ toạ độ không gian pha.

Điện áp của stator và rotor được biểu diễn nh sau:

Điện áp trên ba pha stator là:

Với điện áp rotor ta cũng có phương trình điện áp tương tự

1.3.4 Biểu diễn phương trình động cơ trong không gian pha.

Trước tiên ta mô tả phương trình động cơ trong hệ toạ độ quay bất kỳ, hệ toạ độ nàyquay với vận tốc wg, sau đó ta sẽ mô tả trên hệ toạ độ gắn với stator, rotor và tốc độđồng bộ

1.3.4.1 Phương trình điện áp không gian pha trong hệ toạ độ bất kỳ

Hình 1.7 – Biên độ của vecto không gian và góc quay của nó trên

các hệ toạ độ khác nhau

Ta có công thức cho dòng điện trong không gian pha nh sau:

1.3.4.2 Phương trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với stator.

Trong hệ toạ độ này wg=0, phương trình điện áp được viết lại như sau:

Khi đó wg=wm, phương trình điện áp được viết lại như sau:

1.3.4.4 Phương trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với hệ toạ độ tốc độ đồng bộ.

Khi đó wg=ws, phương trình điện áp được viết lại như sau:

Phương trình momen cũng có thể được viết lại như sau:

nó Việc tìm ra một giản đồ điều khiển đơn giản tương tự như động cơ điện một chiều

đã dẫn theo sự phát triển của giản đồ điều khiển vector, theo phương pháp này ta thuđược hai dòng riêng biệt, một để điều khiển từ thông và một để điều khiển dòng rotor

1.4.2 Dẫn giải momen thêo quan điểm năng lượng.

Ta có phương trình công suất máy điện như sau:

Từ đó ta có phương trình sau:

' 2

1.5 Mô hình trên simulink

Phương trình cuối cùng sử dụng để mô tả mô hình động cơ thu được từ các công thứctrên Ta sắp xếp lại các công thức và sử dụng toán tử 1/s thay vì p vì simulink hỗ trợtính tích phân tốt hơn vi phân

1.4.1 Trên hệ toạ độ stator.

Từ thông stator được biểu diễn nh sau:

Dòng điện stator và rotor được biểu diễn nh sau:

m r

i

L L

1.4.2 Trên hệ toạ độ rotor.

Từ thông stator và rotor được biểu diễn nh sau:

m r

i

L L

1.4.3 Trên hệ toạ độ từ trường.

Từ thông stator và rotor được biểu diễn nh sau:

m r

i

L L

Trong đó, t là momen điện từ, e t là momen tải, J là momen quán tính của động cơ và L

cuối cùng D là hằng số suy giảm

Sử dụng phương trình 1.82, phương trình động học được biểu diễn như sau: