Nghiên cứu bằng thực nghiệm hệ truyền động điện biến tần - Động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
37
Nghiên cứu bằng thực nghiệm Hệ truyền động điện Biến tần 
- động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp 
Nguyễn Nh− Hiển (Tr−ờng ĐH Kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) 
1. Đặt vấn đề 
Các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng về hệ truyền động động cơ đồng bộ nối nối 
tiếp - biến tần bốn góc phần t− dùng chỉnh l−u PWM cho thấy hệ truyền động này có các nhiều 
−u điểm nổi bật nh− có thể đạt đ−ợc công suất đầu ra gấp đôi công suất định mức, tốc độ làm 
việc có thể cao gấp đôi tốc độ định mức, hệ số công suất của động cơ và hệ thống cao, dòng điện 
đầu vào phần chỉnh l−u có dạng rất gần hình sin ít ảnh h−ởng đến đến l−ới điện, Tuy nhiên, để 
khẳng định và kiểm nghiệm lại các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng, cho phép đ−a ra kết 
luận cuối cùng và đề xuất ph−ơng h−ớng áp dụng hệ truyền động vào thực tế ta cần kiểm chứng 
lại bằng thực nghiệm. 
2. Các b−ớc tiến hành thực nghiệm 
Quá trình thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết cần 
phải tiến hành các b−ớc: Xây dựng phần cứng mô hình thực nghiệm; Xây dựng các 
ch−ơng trình phần mềm điều khiển mô hình thực nghiệm và quan sát các thông số trong 
quá trình thực nghiệm; Tiến hành chạy thử mô hình và thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết; 
Thực nghiệm lấy các đặc tính yêu cầu; Phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm và rút ra 
kết luận. 
3. Cấu trúc tổng thể hệ thực nghiệm 
Cấu trúc phần cứng của thiết bị thực nghiệm gồm hai phần: Phần lực và phần điều khiển 
(Hình 1, 2, 3, 4). 
Phần lực gồm: động cơ thí nghiệm ĐC nối với tải cơ học, phần lực bộ biến tần bốn 
góc phần t− dùng chỉnh l−u PWM tạo bởi hai sơ đồ cầu các van IGBT là sơ đồ chỉnh l−u tích 
cực CLPWM và sơ đồ nghịch l−u nguồn áp NL, ngoài ra còn có bộ điện cảm 3 pha đầu vào L 
và tụ lọc C. 
Phần điều khiển gồm: card điều khiển DSP để thực hiện thuật toán điều khiển, máy tính 
điều khiển dùng để lập trình điều khiển và hiển thị kết quả thực nghiệm, các sensor đo dòng 
điện l−ới và dòng điện động cơ, sensor đo điện áp một chiều sau khâu chỉnh l−u, sensor đo tốc 
độ và góc quay (encoder) và khâu xử lý các tín hiệu (XLTH) tr−ớc khi đ−a vào DSP và máy 
tính, các thiết bị ghép nối cho phép truyền tín hiệu từ DSP đến điều khiển sự làm việc của các 
van trong sơ đồ lực. 
Để phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và tận dụng đ−ợc các thiết bị hiện có 
trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Nghiên cứu triển khai công nghệ cao thuộc 
tr−ờng Đại học Bách khoa Hà Nội và các thiết bị của Trung tâm Thí nghiệm khoa Điện 
thuộc tr−ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, động cơ thí nghiệm 
có các thông số kỹ thuật nh− sau: KQ112M6 ; Pđm=1,1KW; nđm = 920 vg/ph; 
Uđm=380/220V - Y/∆; I1đm =3,35 A; ke = 380/249; pm = 3; cosϕđm = 0,657; Công ty 
VIHEM - Việt Nam. 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
38 
Số liệu của bộ tạo tải AS MOTOR: YTC 12 – 48; Amp 1,2; Vol90; 9,72 Nm. 
Hình 1: Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động biến tần - động cơ cảm ứng rotor dây quấn 
đấu dây đặc biệt 
CLPWM 
NL 
L 
C 
XLTH 
 Tải cơ Encoder 
Ghép nối 
ĐKCL 
Ghép nối 
ĐKNL 
∼ 3 pha 
Card điều khiển DSP 
Máy tính điều khiển 
ĐC 
as 
ar 
cr 
bs cs 
br 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
39
PI
d - q 
a-b 
k-γ 
a-b 
a-b 
∆iq 
PIPI 
d-q 
- 
-
Khâu đo dòng 
điện và −ớc l−ợng 
điện áp l−ới 
Khâu điều chế 
 độ rộng xung 
 PWM 
∆id 
SCLa,b
,iLa iLb 
usα usβ
cosγUL 
sinγUL 
iLd iLq 
iLβ iLα 
usq usd 
cosγUL 
sinγUL 
-
uLα uLβ 
Hình 3: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh l−u PWM theo VOC 
Udc 
∆Udc 
*
dcU
*
Lqi 0=
Hình 2: Mô hình thực nghiệm hệ truyền động biến tần - SCSM 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
40 
4. Chạy thử nghiệm và chỉnh định 
Sau khi xây dựng xong toàn bộ các khâu của mô hình thực nghiệm gồm phần cứng, thuật 
toán điều khiển và giao diện (hình 5 và 6) tiến hành chạy thử nghiệm và chỉnh định. 
5. Các kết quả thực nghiệm 
Các kết quả thực nghiệm đ−ợc biểu diễn trên các hình 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, và 14. Trên 
hình 7 là điện áp và dòng điện một pha nguồn cung cấp co khối chỉnh l−u PWM của biến tần, 
hình 8 là điện áp một chiều sau chỉnh l−u với giá trị đặt của Udc là 600V. Các kết quả thực 
Hình 4: Cấu trúc điều khiển khối nghịch l−u của hệ truyền động 
Khâu tích 
phân 
ω 
ia 
ib 
ω 
ĐCTĐQ 
Điều 
chế 
PWM 
ωe/2 
ϑ ia 
ic ib 
=const 
ejϑ 
2 
3 
RIb 
RIc 
RIa 
ia 
ω 
Xung 
điều 
khiển 
các 
van 
*
di
*ω
*
ai
*
bi
*
c
i
*
qi
m
p
2
Hình 5: Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham 
số thực nghiệm 
Hình 6: Giao diện theo dõi kết quả thực 
nghiệm phần chỉnh l−u PWM 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
41
nghiệm trên cho thấy quá trình khởi động cũng nh− điều chỉnh tăng tốc và giảm tốc có tải hệ 
thống truyền động điện đảm bảo độ tác động nhanh cao; gần nh− không có quá điều chỉnh. 
Hình 8: Điện áp một chiều Udc sau chỉnh l−u 
PWM 
Hình 7: Điện áp và dòng điện một pha nguồn đầu 
vào chỉnh l−u PWM 
Hình 9: Tốc độ góc rotor động cơ ωr khi khởi 
động lên tốc độ thấp (25rad/s, t−ơng ứng 
nr=240vg/ph) 
Hình 10: Mô men động cơ M khi khởi động lên 
tốc độ thấp (25rad/s, t−ơng ứng nr=240vg/ph) 
Hình 11: Tốc độ góc rotor động cơ ωr khi khởi 
động và tăng tốc độ 
Hình 12: Mô men động cơ M khi khởi động và 
tăng tốc độ 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
42 
6. Kết luận 
Các kết quả thực nghiệm hệ truyền động biến tần bốn góc phần t− sử dụng chỉnh l−u 
PWM điều khiển vector - Động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp cho thấy: Hệ thoả mln các yêu cầu 
chất l−ợng đối với một hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ. Nếu thiết bị thực nghiệm thoả 
mln đầy đủ các yêu cầu cần thiết, động cơ có tốc độ đồng bộ 3000vg/ph thì hoàn toàn có thể đạt 
đ−ợc tốc độ làm việc 5000 đến 6000vg/ph, đáp ứng đ−ợc yêu cầu về tốc độ cao và điều chỉnh tốc 
độ của máy bơm, quạt gió cao tốc 
 
Tóm tắt: Từ các nghiên cứu lý thuyết 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 hệ thí nghiệm trong miền thời gian thực nhằm 
đánh giá chất l−ợng tĩnh và động của hệ thống qua các đặc tính làm việc trong chế độ quá độ của 
hệ. Dựa vào các kết quả nghiên cứu này có thể dự báo khả năng ứng dụng vào trong sản xuất 
công nghiệp. 
Summary 
According to theoretic researches on a new electrical drive system which uses three-
phase winding rotor induction motor with a special wiring connection, we obtain a drive system 
in which the motor works as a series connected synchronous motor. On that basis, a real-time 
experimental system is built in order to evaluate control quality in steady state and dynamic 
state. Basing on the research results, we can predict applicable potentiality into industrial 
production. 
Hình 13: Tốc độ động cơ nr (vg/ph) 
khi khởi động và giảm tốc có tải 
Hình 14: Mô men động cơ M khi khởi động 
và giảm tốc có tải 
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 3(43)/Năm 2007 
43
Tài liệu tham khảo 
[1]. Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập 1, 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), tr. 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]. Essam E. M. Rashad, Mostafa E. Abdel Karim (1996) Theory and Analysis of Three-phase 
Series-connected Parametric Motors, trang 715-720, IEEE 1996. 
[6]. Yasser G. Dessouky, Mohmoud S. Abouzid, Adel L. Mohamadein (2000), Theory and 
Performance of Series Connected Synchronous Motors, IEEE 2000. 
[7]. M. G. Tsilikil, M. M. Xoclov, B. M. Erekhov, A. B. Shinianxki (1974) Base of Automatic 
Electrical Drive, Energy, Moscow. 
[8]. A. S. Mostafa, A. L. Mohamadein, E. M. Rashad (1993), “Analysis of series-connected 
wound-rotor self-excited induction generater”, IEEE PROCEEDINGS-B, 140 (5), 329-335. 
[9]. Adel L. Mohamadein, Yasser G. Dessouky, Mohmoud S. Abouzid (2000), “Theory and 
Performance of Series Connected Synchronous Motors”, IEEE. 
[10]. C. Daoshen and B. K. Bose (1992), “Expert system based automated selection of industrial 
AC drives”, IEE IAS Annu. Meet. Conf. Rec., pp 387-392. 
[11]. The Mathworks, Simulink-Dynamic System Simulation for Matlab, Help file in Matlab7.01 R14.