Nghiên cứu các đặc tính của động cơ điện không đồng bộ 3 pha bằng phần mềm Matlab Simulink

ThS. NGUYỄN NGỌC TIỀN (Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh)

TÓM TẮT:

Nghiên cứu tập trung vào khảo sát các đặc tính hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng mô hình động cơ điện không đồng bộ lý tưởng, động cơ điện không đồng bộ hoạt động không tải và có tải. Kết quả đánh giá cho thấy rõ nét sự ảnh hưởng của tốc độ roto (ω), dòng điện pha (ia), moment điện từ (Te), từ thông roto (ψr), từ thông stato (ψs) và đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của động cơ không đồng bộ.

Từ khóa: động cơ không đồng bộ 3 pha, đặc tính điện, Mathlab Simulink, roto, stator.

1. Đặt vấn đề

Với xu thế phát triển kỹ thuật mạnh mẽ như hiện nay, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội và trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại. Đặc biệt, việc sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp và trong các ứng dụng đời sống và sản xuất do loại động cơ này có nhiều ưu điểm nổi bậc như: cấu trúc đơn giản, hoạt động ổn định, dễ sử dụng, giá thành thấp, chi phí vận hành và bảo trì thấp. Động cơ điện không đồng bộ thường được sử dụng trong ngành công nghiệp là động cơ rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Với tầm quan trọng của động cơ trong hoạt động sản xuất và đời sống đã được chứng minh bằng thực tế, yêu cầu thiết kế động cơ điện phải đảm bảo chất lượng, độ tin cậy cao, dễ dàng sử dụng và giá thành phù hợp là một nhiệm vụ nghiên cứu ứng dụng cần thiết. Đặc biệt, việc hiểu rõ cấu trúc và qui trình hoạt động của động cơ để ứng dụng trong công nghiệp sản xuất, thực hiện bảo trì, sữa chữa và khắc phục những nhược điểm của từng loại động cơ để đưa ra những phương pháp hạn chế là một vấn đề cần thiết cần được nghiên cứu chi tiết.

Trong điều khiển định hướng từ thông rotor, động cơ điện được xem như một nguồn moment điều khiển được, yêu cầu điều khiển moment chính xác được đặt ra trong hệ truyền động có đặc tính động cao [1]. Trong dạng điều khiển này từ thông được giữ ở giá trị tối ưu nhằm đảm bảo cho moment điện từ sinh ra tối đa và giảm thiểu mức độ bão hòa mạch từ. Khi từ thông được giữ ở giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ với dòng điện stator. Bên cạnh đó, hệ tọa độ định hướng trường là hệ tọa độ được xác định tựa theo vector điện từ trong máy điện mà ở đây là đại lượng từ thông rotor nên được gọi là hệ tọa độ định hướng từ thông rotor. Tốc độ quay của hệ tọa độ RFOC có mối tương quan với tốc độ của vector từ thông rotor ψt. Khối RFOC nhận và điều khiển 2 giá trị từ thông lệnh và moment lệnh kết hợp với vị trí tức thời của từ thông rotor thông qua bộ ước lượng từ thông để tạo ra dòng điện lệnh, dòng điện lệnh này so sánh với dòng điện thực trên động cơ KĐB đưa ra tín hiệu dòng điều khiển các khóa bán dẫn của inverter cung cấp nguồn điện cho động cơ hoạt động.

Trong phạm vi bài báo, tác giả tập trung nghiên cứu các đặc tính gây ra tổn hao của động cơ không đồng bộ 3 pha. Mô hình áp dụng nghiên cứu là động cơ không đồng bộ 3 pha, được mô phỏng bằng phần mềm Mathlab - Simulink bằng cách thành lập các thuật toán trên phần mềm [3], nhận xét kết quả và đề xuất phương hướng cải thiện chất lượng hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha gần giống như trên động cơ thực tế đang hoạt động [2].

2. Mô phỏng và thảo luận

2.1. Mô phỏng

Mô hình động cơ KĐB 3 pha lý tưởng được sử dụng để mô phỏng bằng phần mềm Matlab - simulink thể hiện ở Hình 1. Mô hình động cơ KĐB 3 pha lý tưởng được thiết kế mô phỏng [1] với các thông số máy như sau:

Hình 1: Mô hình động cơ KĐB ba pha lý tưởng [1]

Mô hình động cơ KĐB ba pha lý tưởng

Điện cảm stator: Ls = 0.1459H; Điện cảm rotor: Lr = 0.149H; Điện cảm từ hóa Lm = 0.141H; Điện trở stator: Rs = 1.37Ω; Điện trở rotor: Rr = 1.1 Ω; Moment định mức: Te = 26.5 N.m; Số đôi cực P = 2; Moment quán tính: J = 0.1 kg.N/m; Moment tải: TL = 26.5 N.m; Điện áp pha định mức: 220 VAC.

2.1.1. Động cơ hoạt động không tải

Cả 2 động cơ đều được mô phỏng ở trạng thái không tải với nguồn cung cấp có biên độ đỉnh 220  2  Volt, tần số 50 Hz, thời gian mô phỏng 2s, kết quả đạt được như các hình vẽ sau:

Tốc độ động cơ ω (rad/s): Thời gian mô phỏng: time [0.015 2] (s); Vận tốc lệnh: ω*[0 0 301] rad/s; Từ thông rotor lệnh: ψT*[0.954] Wb; Moment tải: T_load [0 0] Nm.

Hình 2: Tốc độ không tải rotor ω

Tốc độ không tải rotor ω

Dòng điện stator_ ia (A):

Hình 3: Dòng điện không tải stator_ ia

òng điện không tải stator_ ia

Moment điện từ_ Te (Nm):

Hình 4: Từ thông rotor có tải định mức

 thông rotor có tải định mức

Từ thông rotor ψT (Wb):

Hình 5: Từ thông rotor không tải

Từ thông rotor không tải

Từ thông stator ψS (Wb):

Hình 6: Từ thông stator không tải

Từ thông stator không tải

2.1.2. Động cơ hoạt động có tải

- Thời gian mô phỏng: time [0 0.015] (s).

- Vận tốc lệnh: ω*[0 0 301.6] rad/s.

- Từ thông rotor lệnh: ψT* [0.954 ] Wb;

- Thời gian mô phỏng: time [0 0.85] (s).

- Moment tải: T load  [0 0 26.5 ] Nm.

Vận tốc rotor_ω (rad/s) khi có tải:

Hình 7: Vận tốc rotor có tải định mức

Vận tốc rotor có tải định mức

Dòng điện stator_ ia (A):

Hình 8: Dòng điện stator_ ia có tải định mức

Dòng điện stator_ ia có tải định mức

Moment điện từ_ Te (Nm):

Hình 9: Moment điện từ có tải định mức

Từ thông rotor có tải định mức

Từ thông rotor ψT (Wb):

Hình 10: Từ thông rotor có tải định mức

Từ thông rotor có tải định mức

Từ thông stator ψS (Wb):

Hình 11: Từ thông stator có tải định mức

ừ thông stator có tải định mức

2.1.3. Động cơ hoạt động khi chạy quá tốc độ đồng bộ - không tải

Vận tốc rotor_ω (rad/s):

Hình 12: Vận tốc rotor quá tốc độ đồng bộ - không tải

Vận tốc rotor quá tốc độ đồng bộ - không tải

Dòng điện stator_ ia (A):

Hình 13: Dòng điện stator quá tốc độ đồng bộ - không tải

Dòng điện stator quá tốc độ đồng bộ - không tải

Moment điện từ_ Te (Nm):

Hình 14: Moment điện từ quá tốc độ đồng bộ - không tải

Moment điện từ quá tốc độ đồng bộ - không tải

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Điều khiển chế độ hoạt động không tải

Tốc độ roto ω: Trong giai đoạn khởi động, động cơ có tổn hao đáp ứng tốc độ nhanh hơn so với lý tưởng một ít, khi đạt định mức tốc độ rotor như nhau ở động cơ.

Dòng điện pha ia: Quá trình khởi động dòng điện có biên độ như nhau, nhưng động cơ có tổn hao đáp ứng về định mức nhanh hơn, khi động cơ đạt định mức dòng điện hầu như không đổi.

Moment điện từ Te: Trong giai đoạn khởi động moment điện từ động cơ có tổn hao đáp ứng nhanh hơn và trở về định mức sớm hơn so với động cơ lý tưởng nhưng biên độ moment điện động cơ tổn hao nhỏ hơn so với động cơ lý tưởng.

Từ thông rotor ψT và từ thông stator ψS: Từ thông động cơ tổn hao đáp ứng đạt định mức nhanh hơn so với động cơ lý tưởng, nhưng biên độ dao động lớn hơn nhiều so với động lý tưởng.

3.2. Điều khiển khi đưa tải định mức

Khi đưa tải định mức vào động cơ động cơ xét tổn hao dao động tốc độ lớn hơn so với động cơ lý tưởng.

Dòng điện khi có tải động cơ xét tổn hao cao hơn so với dòng điện tải của động cơ lý tưởng điều này nói lên động cơ xét ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ tổn hao công suất nhiều hơn so với động cơ lý tưởng.

Moment điện từ khi có tải định mức động cơ xét tổn hao vọt lố cao hơn so với động cơ lý tưởng.

Từ thông rotor và stator: Từ thông động cơ xét tổn hao dao động cao hơn nhiều so với động cơ lý tưởng.

3.3. Điều khiển khi động cơ hoạt động quá tốc độ đồng bộ

Tốc độ rotor động cơ xét tổn hao đáp ứng nhanh hơn so với lý tưởng trong giai đoạn từ 0 đến 0.9s, nhưng từ 0.9s trở đi động cơ lý tưởng tăng tốc nhanh hơn so với động cơ xét tổn hao.

Dòng điện pha hầu như giống nhau ở chế độ này.

Moment điện từ động cơ xét tổn hao đáp ứng nhanh nhưng biên độ nhỏ hơn so với động cơ lý tưởng.

Từ thông rotor và stator động cơ xét tổn hao đáp ứng nhanh hơn, nhưng biên độ dao động lớn hơn nhiều so với động cơ lý tưởng.

Tìm hiểu tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha.

Nội dụng mở ra một hướng mới trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển ứng dụng lý thuyết vector. Tạo tiền đề để có thể tiếp tục tìm hiểu nghiên cứu các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của các dạng tổn hao về mặt điện từ tác động lên quá trình hoạt động của động cơ điện. Tổn hao sắt từ và bão hòa từ là hai dạng tổn hao tiêu biểu và đầy đủ nhất về phương diện điện từ tác động đến các đặc tính hoạt động của động

cơ điện [1].

4. Kết luận

Nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng, khảo sát, ghi nhận kết quả và phân tích chi tiết sự ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ ở các chế độ hoạt động của động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc, như: Chế độ khởi động, chế độ không tải, tải định mức, quá tốc độ đồng bộ. Kết quả nghiên cứu cũng đề xuất hệ thống điều khiển cho động cơ KĐB 3 pha đạt chất lượng.

Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cám ơn sinh viên Võ Thị Ngọc Diễm cùng các đồng nghiệp trong bộ môn Điện - Điện tử đã có những đóng góp cho bài báo thêm hoàn chỉnh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

  1. Lương Hoàng Phong (2009). Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ không đồng bộ 3 pha có xem xét ảnh hưởng của bão hòa từ. Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
  2. Nguyễn Thanh Tú (2009). Giáo trình máy điện. TP. Hồ Chí Minh: NXB Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.
  3. Vũ Gia Hạnh (1998). Máy điện. Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  4. Trần Quang Khánh (2013). Matlap Ứng dụng. Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  5. Faraday's work - electro - magnetic rotations. [Online] Avalabile at http://www.timelines.com/how/electricity/ rotations.asp
  6. Edvard. (2011). Induction machines - historical touch. [Online] Avalabile at http://electrical-engineering-portal.com/induction-machines-historical-touch

INVESTIGATING THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS

OF 3-PHASE ASYNCHRONOUS MOTORS

BY USING THE MATLAB SIMULINK SOFTWARE

• Master. NGUYEN NGOC TIEN

Department of Electrical and Electronic Engineering

 Faculty of Engineering and Technology, Tra Vinh University

ABSTRACT:

This study investigated the operational characteristics of 3-phase asynchronous motors. The MATLAB Simulink software was used to program and simulate the operation of an ideal asynchronous motor and an asynchronous motor at unloading and loading modes. The study found the significant impacts of the rotor speed (ω), phase current (ia), electromagnetic moment (Te), rotor magnetic flux (ψr) and stator magnetic flux (ψS) on the operation of asynchronous motors. The study also proposed some solutions to improve the operational effectiveness of the 3-phase asynchronous motors.

Keywords: 3-phase asynchronous motors, electrical characteristics, MATHLAB Simulink software, roto, stator.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 22, tháng 9 năm 2021]