Hệ truyền động điện Biến tần-Động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 
 43
Hệ truyền động điện Biến tần- động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp 
Trần Xuân Minh - Nguyễn Nh− Hiển (Tr−ờng ĐH Kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) 
1. Đặt vấn đề 
Theo [2], [3], [7], [8], động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp là động cơ xoay chiều không đồng 
bộ ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt (hình 1). Với cách đấu dây này, động cơ làm 
việc nh− một động cơ đồng bộ (có đ−ờng đặc tính cơ tuyệt đối cứng), do quan niệm từ thông 
động cơ tạo bởi cuộn dây rotor, mà cuộn dây này lại 
đ−ợc đấu nối tiếp với cuộn dây stator nên trong tr−ờng 
hợp này động cơ đ−ợc gọi là động cơ đồng bộ kích từ 
nối tiếp (ĐCĐBKTNT). Trong [2], [3], [7], [8], đ6 
giới thiệu các kết quả nghiên cứu về chế độ xác lập 
của động cơ, qua đó, đ6 khẳng định các −u điểm nổi 
bật của ĐCĐBKTNT. Nh−ng do động cơ làm việc nh− 
một động cơ đồng bộ nên vấn đề khởi động động cơ là 
một nội dung quan trọng cần phải đ−ợc nghiên cứu. 
Ngoài ra cũng phải xét đến ph−ơng pháp điều chỉnh 
tốc độ cũng nh− các yêu cầu đối với các thiết bị trong 
hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Nghiên cứu 
về các ph−ơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT và xây 
dựng cấu trúc điều khiển cũng nh− xác định lĩnh vực 
có thể ứng dụng hệ truyền động mới này là nội dung cơ bản của bài báo đ−ợc trình bày sau đây. 
2. Các cấu trúc của hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT 
2.1. Các ph−ơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT trong hệ truyền động điện 
ĐCĐBKTNT cũng t−ơng tự nh− các động cơ đồng bộ khác là không thể khởi động lên tốc 
độ làm việc (tốc độ đồng bộ) bằng cách đóng trực tiếp điện áp xoay chiều cung cấp cho các cuộn 
dây động cơ. Để khởi động các động cơ đồng bộ ng−ời ta có thể sử dụng một số ph−ơng pháp 
nh−: (1) Sử dụng một động cơ để kéo cho động cơ đồng bộ quay đạt đến tốc độ gần với tốc độ 
đồng bộ rồi cấp nguồn cho các cuộn dây động cơ để động cơ tự vào đồng bộ; (2) Sử dụng ph−ơng 
pháp khởi động không đồng bộ (đối với các động cơ có lòng sóc khởi động), khi tốc độ động cơ 
gần bằng tốc độ đồng bộ thì cấp nguồn cho cuộn dây kích từ để động cơ tự vào đồng bộ; (3) Điều 
khiển sự làm việc của biến tần theo một số luật nhất định (khi động cơ làm việc trong hệ truyền 
động biến tần-động cơ, điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số nguồn). 
Trong đó, ph−ơng pháp sử dụng biến tần với luật điều khiển phù hợp (3) để khởi động các 
động cơ đồng bộ là ph−ơng pháp hiện nay đ−ợc sử dụng phổ biến trong các hệ truyền động điện 
điều chỉnh tốc độ bằng ph−ơng pháp thay đổi tần số, ph−ơng pháp này cho chất l−ợng của quá 
trình khởi động cũng nh− chất l−ợng hệ truyền động rất tốt. Về cơ bản hệ truyền động biến tần - 
ĐCĐBKTNT cũng có thể áp dụng các ph−ơng pháp khởi động cho động cơ đồng bộ nói chung, 
as 
ar cr 
bs 
cs 
br 
Va θe 
Vc 
Vb ib 
ia 
ic 
Hình 1: Sơ đồ đấu dây mạch stator và 
rotor của động cơ làm việc ở chế độ 
ĐCĐBKTNT 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 
 44
tuy nhiên, do bản chất ĐCĐBKTNT có cấu trúc không ổn định [4] nên muốn đ−a động cơ vào 
đồng bộ, phải xây dựng hệ truyền động theo cấu trúc điều khiển hệ thống kín. Khi đi sâu nghiên 
cứu ph−ơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT trong hệ truyền động sử dụng bộ biến đổi tần số gián 
tiếp có khâu trung gian một chiều, nhóm tác giả bài báo này đề xuất các ph−ơng án nh− sau: 
⊕ Với hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT điều khiển vô h−ớng sử dụng điều chế độ 
rộng xung (PWM) có thể sử dụng các ph−ơng pháp: 
- Điều chỉnh tần số và điện áp tăng dần theo một luật nhất định trong giai đoạn khởi động, 
kết hợp với sử dụng tín hiệu dòng và tín hiệu mô men động. 
- áp dụng biện pháp khởi động không đồng bộ. 
⊕ Sử dụng cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đối với hệ truyền động biến 
tần-ĐCĐBKTNT. 
Mỗi ph−ơng pháp khởi động có −u nh−ợc điểm riêng cả về cấu trúc của hệ truyền động 
cũng nh− chất l−ợng của nó. Trong bài báo này chỉ giới thiệu về cấu trúc điều khiển vô h−ớng, 
cấu trúc điều khiển vector sẽ đ−ợc giới thiệu trong một bài báo khác. 
2.2. Hệ biến tần - ĐCĐBKTNT điều khiển vô h−ớng, khởi động động cơ bằng việc điều 
chỉnh tăng dần tần số và điện áp trong giai đoạn khởi động 
Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đ−ợc biểu diễn trên hình 2. 
Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: 
Phần lực gồm: CL là khối chỉnh l−u dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của mạng 
điện công nghiệp thành điện áp một chiều cấp cho khối nghịch l−u; NL là khối nghịch l−u 
th−ờng dùng các khoá đóng cắt IGBT, thực hiện biến đổi điện áp một chiều Udc ở đầu ra khối 
CL thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ĐC là động cơ không đồng bộ ba pha 
rotor dây quấn đ−ợc đấu dây đặc biệt để làm việc ở chế độ động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp 
(ĐCĐBKTNT); C là tụ lọc. 
Phần điều khiển gồm: khâu tạo tín hiệu khống chế nghịch l−u theo nguyên lý điều chỉnh 
độ rộng xung (Driver NL PWM); bộ điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch l−u (ĐCA); các sensor 
đo dòng (SI) và đo tốc độ (TG); khâu biến đổi dòng ba pha của động cơ thành điện áp một chiều 
tỉ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (BĐD); XL là khâu gia công tín hiệu dòng điện và 
tốc độ động cơ phục vụ cho mục đích ổn định động hệ thống; tín hiệu đặt tốc độ của hệ (THĐ) 
đ−ợc đ−a đến khối đặt tần số để quyết định tần số ra của NL, đồng thời THĐ lại đ−ợc tổng hợp 
với tín hiệu đầu ra của XL để khống chế biên độ điện áp ra của biến tần; các tín hiệu Sa, Sb, Sc là 
các chuỗi xung dùng để không chế các khoá IGBT trong ba pha của nghịch l−u. Việc khống chế 
qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động do ĐTS quyết định, còn việc điều chỉnh điện áp đ−ợc 
thực hiện bởi ĐCA. 
áp dụng mô hình mô phỏng động cơ đ6 đ−ợc giới thiệu trong [2], [3], thực hiện việc 
mô phỏng đặc tính quá độ của hệ trong MATLAB-SIMULINK với động cơ có các thông số: 
Pđm=1,1KW; Uđm=380/220-Y/∆; I1đm=3,5A; Lδs=0,013H; Lδr=0,0089H; Ls=0,34H; 
k=0,692; số đôi cực từ pm=3; tần số định mức fđm=50Hz; mô men quán tính động cơ và tải 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 
 45
Hình 3: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b) của động cơ khi khởi động 
không tải và thay đổi tải nhảy cấp tại các thời điểm t=15s (Mc=6Nm) và t=20s (tăng thêm 
4Nm) với cấu trúc điều khiển vô h−ớng 
 t(s) 
ωr(rad/s) 
0 5 10 15 20 25 30 
0
20 
40 
60 
100 
120 
80 
0.5 
1.0 
1.5 
2.0 
2.5 
3.0 
0 
a) t(s) 
If(A) 
0 5 10 15 20 25 30 
b) 
Hình 4: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b)của động cơ khi khởi động có 
tải dạng quạt gió với cấu trúc điều khiển vô h−ớng 
a) 
0 5 10 15 20 25 30 
0 
20 
40 
60 
80 
100 
120 
ωr(rad/s), Mc(Nm) 
 t(s) 
Mc 
ωr 
0 
0.5 
1.5 
2.5 
1.0 
2.0 
0 5 10 15 20 25 30 
If (A) 
 t(s) 
b) 
nối trục với động cơ J = 0,04. Kết quả thu đ−ợc các đặc tính thời gian tốc độ, giá trị hiệu 
dụng dòng điện một pha khi khởi động 
không tải và thay đổi nhảy cấp tải khi 
động cơ đ6 hoàn thành quá trình khởi 
động; khi khởi động có tải dạng quạt 
gió đ−ợc biểu diễn trên các hình 3a, 
b;4a, b. 
Các kết quả quả này cho thấy, 
với cấu trúc điều khiển và ph−ơng 
pháp khởi động động cơ đ6 nêu, hệ 
truyền động đảm đ−ợc các yêu cầu 
cần thiết về đặc tính quá độ và hoàn 
toàn có thể áp dụng vào thực tế sản 
xuất. 
Hình 2: Cấu trúc điều khiển vô h−ớng hệ truyền 
động biến tần- động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp 
A 
CL 
NL 
C 
ĐTS 
XL 
THĐ 
ì 
Đặt tần số ra NL 
BĐD 
ĐC 
f 
ia 
ib 
U ĐCA 
Udc 
Driver 
NL 
PWM 
- 
βI 
Sa,Sb,Sc 
B C 
TG 
SI 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 
 46
2.3. Hệ biến tần - ĐCĐBKTNT điều khiển vô h−ớng, khởi động động cơ bằng ph−ơng pháp 
khởi động không đồng bộ 
Mặc dù không có lồng sóc khởi động nh− một số động cơ đồng bộ, nh−ng ĐCĐBKTNT 
lại có đặc tính: Khi cấp nguuồn xoay chiều ba pha cho động cơ thì động cơ sẽ khởi động lên tốc 
độ gần bằng tốc độ từ tr−ờng quay của stator. Sử dụng đặc tính này của động cơ, ta điều khiển 
biến tần làm việc theo luật: Khi bắt đầu khởi động biến tần cho ra điện áp với tần số gấp đôi tần 
số làm việc, dẫn đến động cơ sẽ khởi động đến tốc độ cần thiết, sau đó biến tần đ−ợc điều khiển 
để tần số đầu ra giảm xuống tần số làm việc (bằng một nửa lúc ban đầu), động cơ sẽ tự vào đồng 
bộ. Cấu trúc hệ truyền động vẫn có dạng nh− hình 2, chức năng điều khiển tần số để đảm bảo quá 
trình khởi động đ−ợc cài đặt trong khối đặt tần số. 
Các đặc tính trên các hình 5a,b cho thấy, với biện pháp khởi động này cũng có thể dễ 
dàng đ−a động cơ đến tốc độ làm việc theo yêu cầu và các chỉ tiêu khác hoàn t−ơng đ−ơng nh− 
khi áp dụng việc điều chỉnh tần số và điện áp ra của biến tần, tuy nhiên tr−ờng hợp này yêu cầu 
biến tần phải có khả năng tạo ra điện áp tần số gấp đôi tần số định mức của động cơ. 
3. Kết luận 
 Từ các kết quả mô phỏng đối với các cấu trúc điều khiển vô h−ớng của hệ truyền động 
điện biến tần-động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp có thể đ−a ra các kết luận: 
* Hệ truyền động điện biến tần - ĐCĐBKTNT là một hệ truyền động có đ−ờng đặc tính cơ 
tuyệt đối cứng, đảm sự ổn định tốc độ tuyệt đối khi mô men tải thay đổi trong phạm vi nhỏ hơn 
hoặc bằng mô men cực đại của động cơ (cỡ từ 2 đến 3 lần mô men định mức), rất phù hợp với các 
cơ cấu sản xuất yêu cầu cao về sự ổn định tốc độ. 
* Các cấu trúc của hệ truyền động đ6 nêu đều đảm bảo đ−ợc các chỉ tiêu chất l−ợng tĩnh và 
động, đảm bảo quá trình khởi động cơ êm, dòng khởi động nhỏ nên không ảnh h−ởng đến l−ới 
điện khi hệ thống khởi động (với các động cơ công suất lớn). Các cấu trúc điều khiển này đơn 
giản, không yêu cầu cao về phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển nên dễ thực hiện, 
giá thành thấp, độ tin cậy cao. 
* Với đặc tính tốc độ đồng bộ của động cơ gấp đôi tốc độ từ tr−ờng quay stator [2], [3], [7], 
[8] nên với động cơ 2 cực khi làm việc với tần số bằng 50Hz (th−ờng là tần số định mức của các 
Hình 5: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b) của động cơ khi khởi động không 
tải và thay đổi tải nhảy cấp tại các thời điểm t=15s(Mc=6Nm), t=20s(+4Nm), và t=20s(+3Nm) với 
cấu trúc điều khiển vô h−ớng, khởi động không đồng bộ 
0 
50 
100 
150 
200 
250 
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 
0 
1 
2 
3 
4 
ωr(rad/s) 
 t(s) 
If(A) 
 t(s) 
a) b) 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 
 47
động cơ không đồng bộ ba pha đ−ợc sản xuất trong công nghiệp) thì tốc độ động cơ đạt đến 6000 
vòng/phút, rất phù hợp với các hệ truyền động có yêu cầu tốc độ cao nh− các máy nén, máy bơm 
cao tốc, khi đó không cần hộp số nên kích th−ớc của hệ đ−ợc giảm nhỏ, giá thành thấp. 
* Kết hợp các −u điểm về kết cấu động cơ chắc chắn, các chỉ tiêu chất l−ợng tĩnh tốt, có 
khả năng cho ra công suất gấp đôi công suất định mức do nhà máy sản xuất đ−a ra [2], [3], [7], [8], 
với các đặc tính động đ−ợc giới thiệu trong mục 2, hệ truyền động điện biến tần-ĐCĐBKTNT là một 
hệ truyền động rất có triển vọng khi đ−ợc nghiên cứu hoàn thiện 
 
Tóm tắt 
Bài báo giới thiệu về một hệ truyền động điện mới, ứng dụng động cơ không đồng bộ ba 
pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt, làm việc t−ơng tự nh− động cơ đồng bộ kích từ nối 
tiếp. Trên cơ sở đó, xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ truyền động đồng bộ kích từ nối tiếp và 
các kết quả về đặc tính làm việc trong chế độ quá độ của hệ thống, đồng thời, dự báo khả năng 
ứng dụng hệ truyền động mới này trong công nghiệp. 
Summary 
Electrical transmission system of Altering frequency - synchronous motor using 
the serial magnetic stimulation 
The paper presents a new electrical transmission system applying an asynchronous three-
phase induction motor with a special diagram for connecting coils as a synchronous operating 
motor with the use of the serial magnetic stimulation. Basic on this , the controlling structure of 
the synchronous system using serial magnetic stimulation is built and results of working 
characteristic in the immoderate mode of the system are obtained. Moreover, the applicable 
possibility of this new transmission in industry is also predicted. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập1, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 
[2]. Nguyễn Nh− Hiển, Trần Xuân Minh (2004), Xây dựng mô hình động cơ đồng bộ kích từ nối 
tiếp để nghiên cứu chế độ xác lập, Tự động hoá ngày nay, 12. 
[3]. Bùi Quốc Khánh, Trần Xuân Minh, Nguyễn Nh− Hiển (2005), Lý thuyết và phân tích hệ 
truyền động dùng động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp, Tuyển tập các báo cáo khoa học- Hội nghị toàn quốc 
về tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 300-305. 
[4]. Nguyễn Nh− Hiển, Trần Xuân Minh, Phạm Thị Bông, Lâm Hùng Sơn (2005), Các giải pháp 
ổn định hoá và nâng cao độ bền vững hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp, Tuyển tập 
các báo cáo khoa học- Hội nghị toàn quốc về tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 221-226. 
[5]. Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB 
Giáo dục, Hà Nội. 
[6]. Nguyễn Phùng Quang (2003) MATLAB & Simulink dành cho kỹ s− điều khiển tự động, NXB 
Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 
[7]. Essam E. M. Rashad, Mostafa E. Abdel Karim (1996) Theory and Analysis of Three-phase 
Series-connected Parametric Motors, trang 715-720, IEEE 1996. 
[8]. Yasser G. Dessouky, Mohmoud S. Abouzid, Adel L. Mohamadein (2000), Theory and 
Performance of Series Connected Synchronous Motors, IEEE 2000. 
[9]. M. G. Tsilikil, M. M. Xôclov, B. M. Erekhov, A. B. Shinianxki (1974) Base of Automatic 
Electrical Drive, Energy, Moscow.