Khảo sát năng lượng trong quá trình quá độ của động cơ không đồng bộ khi cấp điện từ biến tần

TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
35 
KHẢO SÁT NĂNG LƢỢNG TRONG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ 
KHÔNG ĐỒNG BỘ KHI CẤP ĐIỆN TỪ BIẾN TẦN 
POWER ANALYSIS OF TRANSIENT STATE OF INDUCTION MOTOR FED BY AN INVERTER 
Nguyễn Vũ Thanh, Bùi Đình Tiếu, Trần Văn Thịnh 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Bài báo đưa ra mô hình khảo sát sự thay đổi năng lượng trong quá trình quá độ của động cơ 
không đồng bộ khi nguồn điện cấp vào lấy từ bộ biến tần. Khảo sát mô hình động cơ có tính đến hiệu 
ứng bề mặt và bão hòa mạch từ, trong tổng thể hệ thống thiết bị điều chỉnh - Động cơ - Phụ tải (những 
mô hình trước đây thường bỏ quá yếu tố này). Sử dụng một số nguồn điện áp PWM khác nhau (PWM 
hình sin, PWM hài bậc 3, PWM 60
0
) đưa vào động cơ với các dạng phụ tải phổ biến (MC = const, 
MC = k, MC = k
2
). 
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng điện áp không sin có những tác động nhất định tới năng lượng 
của động cơ. Tùy theo kiểu điện áp PWM sử dụng mà năng lượng trong động cơ có những biến đổi 
tương ứng. Ngoài ra trong quá trình quá độ còn phát sinh thêm một phần năng lượng đáng kể khác. 
Thành phần năng lượng này có thể xem là một yếu tố cần thiết trong quá trình quá độ để động cơ 
chuyển từ trạng thái làm việc này sang trạng thái làm việc khác. 
ABSTRACT 
The article analyses concentration on the power variation of transient state of induction motor 
fed by a inverter. First of all, modelling the induction motor with the skin effect and saturation is 
analysed (these effects are ignored in the previous model) in the Controller-Motor-Load system. After 
that, some types of different PWM voltage of inverter, for example, sine PWM, third harmonic PWM, 
60
0
 PWM, is supllied to the motor with the various load (MC = const, MC = k, MC = k
2
). 
The research results prove that the sineless voltage has a specific effect on the power of motor. 
Depending on the used PWM voltage, the power of motor will have corresponding variations. In 
addition, there is a particular part of power occurs in the transient state. In the state, this particular 
power can be seemed as an essential part that helps the motor change from one state to another 
state. 
I. MỞ ĐẦU 
Để khảo sát các hiện tượng điện từ xảy ra 
trong động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), thì 
việc mô hình hóa ĐCKĐB là hết sức quan 
trọng. Đặc biệt là xem xét mô hình động cơ 
trong tổng thế hệ thống Thiết bị điều chỉnh – 
Động cơ – Phụ tải. Trong nhiều năm gần đây, 
bài toán này vẫn được các tác giả tiếp tục 
nghiên cứu và hoàn thiện. Tuy nhiên, phần lớn 
các tác giả mới chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa 
không xét đến hiện tượng bão hòa mạch từ và 
hiệu ứng bề mặt trong động cơ. Với sự phát 
triển mạnh của linh kiện bán dẫn, một số tác giả 
xem xét ĐCKĐB như một đối tượng điều khiển 
trên mô hình động học, tuy nhiên mục tiêu 
nghiên cứu không phải là đi sâu vào những biến 
đổi điện từ trong động cơ mà xem xét động cơ 
như một đối tượng điều khiển và mô phỏng 
động cơ trên cơ sở tuyến tính hệ số hằng [1]. 
Hơn nữa ĐCKĐB được ứng dụng rất 
rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ thống truyền 
động của các máy sản xuất. Ở đó, khi có những 
ĐCKĐB lớn khởi động hoặc khi làm việc ở chế 
độ ngắn hạn lặp lại thì việc khảo sát phần công 
suất cung cấp và điện năng tiêu thụ trong các 
quá trình quá độ là một bài toán hết sức quan 
trọng, đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu chi 
tiết. 
II. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH CÔNG 
SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG CỦA ĐCKĐB CÓ 
XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG MẶT NGOÀI VÀ 
BÃO HÕA MẠCH TỪ. 
Trước tiên tiến hành mô hình hóa 
ĐCKĐB trên hệ trục  có xét đến hiệu ứng 
mặt ngoài và bão hòa mạch từ [2,3,4]. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
36 
Sau đó tiến hành mô phỏng khởi động 
động cơ (14kW-1480v/ph) khi không tải, để 
khẳng định tính đúng đắn của mô hình ta tiến 
hành so sánh với đường cong thực nghiệm. Kết 
quả cho thấy đường cong thực nghiệm và 
đường cong lý thuyết khá gần nhau (hình 1). 
Hình 1. Kết quả mô phỏng ĐCKĐB 3 pha 
14kW-1480v/ph 
Từ đó, xác định được công suất tức thời 
và điện năng trong ĐC KĐB khi khởi động 
thông qua các phương trinh sau: 
a/ Tổn hao trong dây quấn stato khi khởi động: 
 212111  iirpd  
b/ Tổn hao trong dây quấn roto khi khởi động: 
 222221  iirpd  
c/ Tổn hao phát sinh trong roto khi khởi động: 







dt
di
i
dt
di
iXp tddg




2
2
2
222 
d/ Tổn hao phát sinh trong stato khi khởi động: 







dt
di
i
dt
di
iXp tddg




1
1
1
111 
e/ Tổn hao từ hóa: 
dt
d
i
dt
d
ip
m
m
m
mst





 
f/ Công suất cơ trên trục: 
   2222 iiPco  
g/ Công suất điện đưa vào: 
 11111 iuiuP  
Như vậy ta có phương trình cân bằng 
công suất như sau: 
costdgdgdd PpppppP  21211 
Từ đó ta xác định được mức điện năng 
tiêu thụ qua biểu thức dưới đây: 




t
co
t
st
t
dg
t
dg
t
d
t
d
dtPdtp
dtpdtpdtpdtpA
00
0
2
0
1
0
2
0
11
Trong đó: t là thời điểm động cơ đạt 95%nđm 
III. BIẾN TẦN VỚI KĨ THUẬT PWM 
(ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG) 
Trong điều khiển ĐCKĐB dùng biến tần 
với kĩ thuật PWM, thì tín hiệu PWM luôn được 
cập nhật, điều này tạo ra song xoay chiều tại 
các pha của động cơ. Phương pháp dùng để cập 
nhật tín hiệu PWM gọi là kĩ thuật điều biến. 
Một số kĩ thuật điều biến cơ bản là PWM hình 
sin, PWM hài bậc 3, PWM 600 và điều biến 
véctơ không gian. Tuy nhiên các kĩ thuật điều 
biến khác cũng ngày càng trở nên thông dụng 
do chúng tận dụng được nguồn DC tốt hơn 
[1,5]. Trong đó ba kĩ thuật điều biến PWM hình 
sin, PWM hài bậc 3, PWM 600 có chung kiểu 
sơ đồ tổng quát. 
Hình 2. Nguyên lí chung của ba kĩ thuật điều 
biến 
Nguyên lí chung được mô tả như sau: 
- Tạo ra sóng điều biến fr (điều biến có thể 
dưới dạng hình sin, có thể thêm các thành 
phần hài bậc cao) có tần số điều biến bằng 
tần số mong muốn (tần số cấp vào động cơ) 
- Tạo ra sóng mang fC dạng tam giác, có biên 
độ cố định, có tần số sóng mang lớn hơn 
nhiều tần số điều biến 
 So Sánh 
PWM trên 
Nghịch đảo và 
thời gian an toàn 
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
37 
- So sánh hai tín hiệu sóng điều biến và sóng 
mang, giao điểm của hai tín hiệu này xác 
định thời điểm kích mở van IGBT. 
Ta được dạng sóng điện áp pha ứng với 
từng kĩ thuật điều biến [5]. 
 Đặc điểm PWM hình sin 
- Trung tính ĐC = 0,5VDC 
- Điện áp dây UL-L = 0,866VDC 
 Đặc điểm PWM hài bậc ba 
- Cộng thêm vào thành phần hình sin 
sóng điều biến một thành phần sóng hài 
bậc ba 
- Trung tính ĐC dao động theo thành 
phần hài bậc 3 
- Điện áp dây UL-L = VDC 
 Đặc điểm PWM 600 
- Đỉnh sóng điện áp được san phẳng 
trong khoảng 600 đến 1200, 2400 đến 
300
0
 (tính theo độ điện) 
- Điện áp dây UL-L = VDC 
IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC 
NHẬN XÉT 
Chương trình tính áp dụng trên động cơ 
với các số liệu sau: 
 r1 r21 r20 
kW-v/ph () () () 
14-1480 0.4 0.376 0.235 
x11 x10 x20 x2s 
() () () () 
0.81 0.98 0.92 0.81 
x2bh x0 JR p 
() () kgm
2
 đôi cực 
0.755 22 0.125 2 
Một số kí hiệu sử dụng trong các bảng: 
TG: Thời gian tốc độ động cơ đạt 95%nđm 
A1: Tổng điện năng đưa vào động cơ 
Acu: Điện năng do tổn hao đồng stato và roto 
A: Điện năng do tổng tổn hao trong động cơ 
Ađg/A1: Tỷ lệ phần trăm Ađộng so với A1 
Ađg/A: Tỷ lệ phần trăm Ađộng so với A 
4.1 Ảnh hƣởng của thay đổi tần số khi điện 
áp là sin chuẩn lên động cơ KĐB lúc khởi 
động 
Khảo sát trong điều kiện: 
- Điện áp là sin chuẩn 
- U = 220V, f = 50, 45, 35, 30, 25Hz 
- Ba dạng phụ tải (MC = Mđm, MC ~ 
2
, 
MC ~ ) 
Một số nhận định (bảng 1, 2, 3): 
 Với phụ tải MC ~ 
2
 năng lượng là nhỏ nhất, 
tiếp đến là dạng phụ tải MC ~  và lớn nhất là 
dạng phụ tải MC = Mđm. Điều này rất phù hợp 
với lí thuyết kinh điển về truyền động điện: 
- Với MC = Mđm, động cơ (ĐC) luôn phải 
chịu phụ tải tĩnh. Do vậy tại thời điểm khởi 
động 
dt
d
nhỏ làm quá trình tăng tốc của động 
cơ chậm, gặp nhiều khó khăn. Mặt khác số 
lượng đỉnh xung trong quá trình khởi động lớn, 
do đó ĐC cần dùng một năng lượng lớn để tạo 
ra mômen đủ để thắng được mômen cản tĩnh. 
- Với phụ tải MC ~ 
2, lúc bắt đầu khởi 
động M- MC lớn. Điều này khiến ĐC tăng tốc 
dễ dàng do đạt được 
dt
d
lớn. ĐC lúc này khởi 
động gần như chỉ chịu mômen quán tính của tải 
và một lượng nhỏ mômen tĩnh do ma sát tạo ra. 
Nên ĐC chỉ cần một năng lượng nhỏ đủ để 
thắng mômen cản tĩnh ban đầu. 
- Với dạng phụ tải MC ~ , ĐC không 
cần mômen mở máy lớn. Điều này khiến cho 
năng lượng cung cấp cho ĐC nhỏ. Hơn nữa do 
biên độ đỉnh xung mômen khi khởi động lớn 
hơn trường hợp tải MC ~ 
2, nên năng lượng 
đưa vào ĐC cần nhiều hơn so trường hợp tải 
MC ~ 
2
. 
 Khi khảo sát tương quan giữa các thành 
phần năng lượng xảy ra trong ĐC, nhận thấy 
thành phần năng lượng phát sinh khi khởi động 
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
38 
chiếm một tỉ lệ khá cao so với tổng năng lượng 
đưa vào. 
Ví dụ: f = 50Hz, Ađg/A1 = 14,86% 
 f = 30Hz, Ađg/A1 = 8,43% 
Thành phần năng lượng này có thể xem 
là một yếu tố cần thiết trong quá trình khởi 
động để ĐC chuyển từ trạng thái nghỉ sang 
trạng thái làm việc. 
4.2 Năng lƣợng ĐC với các quy luật fr khác 
nhau, ứng với từng loại phụ tải. 
Khảo sát trong điều kiện: 
- Kĩ thuật PWM (hình sin, hài bậc 3, 600) 
- fC = 750Hz, fr = 50, 45, 40, 35, 30, 25Hz 
- Ba dạng phụ tải (MC = Mđm, MC ~ 
2
, MC 
~ ) 
Một số nhận định (tham khảo bảng 4 đến 12): 
 Với dạng tải MC = M đm năng lượng 
cấp vào vẫn là lớn nhất, tiếp theo là trường hợp 
MC ~  và nhỏ nhất là trường hợp 
MC ~ 
2. Điều này phù hợp với những nhận 
định ở mục a. Tuy nhiên nếu xét kĩ hơn, cùng 
một mốc thời gian ĐC đạt trạng thái xác lập 
(lấy mốc thời gian của điện áp sin chuẩn). Nhận 
thấy năng lượng cung cấp khi điện áp sin chuẩn 
là nhỏ nhất đối với cả ba dạng phụ tải, đứng thứ 
hai là trường hợp điện áp điều biến dùng kĩ 
thuật PWM hình sin. Điều này có thể giải thích 
thông qua phổ sóng hài, những thành phần sóng 
hai phát sinh làm cho đỉnh xung mômen lớn 
hơn, đường mômen tổng xuất hiện nhiều gai tại 
đỉnh xung do các mômen phụ sinh ra. Chính 
các gai đỉnh xung này làm cho đường cong 
công suất tức thời xấu đi, tổng năng lượng cung 
cấp tăng lên. Đối với hai kĩ thuật PWM hài bậc 
ba và PWM 600 có nhiều điểm tương đồng. 
Thông qua phổ sóng hài, nhận thấy ở hai kĩ 
thuật này thứ tự bậc sóng hài xuất hiện giống 
nhau, chỉ khác nhau ở biến độ sóng (trường hợp 
PWM hài bậc 3 biến độ sóng hài lớn hơn 
trường hợp PWM 600). Điều này giải thích tại 
sao trong các vùng làm việc tần số khác nhau 
thì kĩ thuật PWM 600 thường cho ta năng lượng 
cung cấp thấp hơn. 
Bảng 1. Điện áp sin chuẩn 
đmC MMconst
f
U
 , 
f A1 TG Ađg/A1 A 
50 10776 .43 14,86 8777,7 
45 7794,2 .33 13,03 6262,6 
40 5670,6 .26 11,37 4508,1 
35 4137,5 .21 9,7 3252 
30 2959,6 .17 8,43 2322,8 
25 2098,4 .15 7,15 1643,2 
Bảng 2. Điện áp sin chuẩn 
2
2
, kMconst
f
U
C  
f A1 TG Ađg/A1 A 
50 4143,5 .17 12,11 3085,2 
45 3299,3 .17 10,9 2437,8 
40 2563,5 .18 9,6 1884,4 
35 1925,8 .20 8,3 1413,1 
30 1395,9 .24 7,05 1019,2 
25 956,04 .29 5,81 695,47 
Bảng 3. Điện áp sin chuẩn 
kMconst
f
U
C  ,
3
f A1 TG Ađg/A1 A 
50 4795,1 .19 11,99 3533,1 
45 3811,2 .18 10,77 2806,7 
40 2972,5 .17 9,54 2184,9 
35 2248,3 .17 8,35 1652,1 
30 1652,9 .17 6,98 1210,3 
25 1140,6 .17 5,98 838,23 
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
39 
Bảng 4. Điện áp PWM hình sin 
đmC MMconst
f
U
 , 
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 10654 13,59 17,65 8205,9 
45 7874,5 12,42 15,9 6150,9 
40 5734,6 10,75 13,9 4433,3 
35 4158,4 9,37 12,17 3202,5 
30 2963,3 8,4 10,79 2308,9 
25 2124,8 7,02 8,96 1665,6 
Bảng 5. Điện áp PWM hình sin 
2
2
, kMconst
f
U
C  
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 4368,9 10,89 15,56 3056,6 
45 3309,8 10,47 14,49 2390,9 
40 2566,2 9,41 13,03 1853,1 
35 1935,6 8,18 11,3 1401 
30 1455,1 6,49 9,03 1046,2 
25 1064,2 5,85 7,86 791,55 
Bảng 6. Điện áp PWM hình sin 
kMconst
f
U
C  ,
3
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 4949,7 11,02 15,67 3481,6 
45 3874,5 10,09 14,17 2760,4 
40 2984,3 9,03 12,6 2140,1 
35 2296,7 7,75 10,9 1632,7 
30 1684,1 6,58 9,2 1204,6 
25 1194,4 6,30 8,60 875,15 
Bảng 7. Điện áp PWM 600 
2
2
, kMconst
f
U
C  
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 10880 14,1 17,86 8605,8 
45 8036,5 13,1 16,25 6481,4 
40 5748,1 10,97 14,09 4473,7 
35 4173,4 9,39 12,13 3232,1 
30 2972,4 8,41 10,76 2322,9 
25 2126,4 7,07 9,02 1666,1 
Bảng 8. Điện áp PWM 600 
2
2
, kMconst
f
U
C  
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 4381,1 11,23 15,84 3106,7 
45 3324,8 10,63 14,61 2418,8 
40 2571,7 9,38 12,93 1865,5 
35 1937,8 8,30 11,40 1410,9 
30 1446,2 6,56 9,12 1039,6 
25 1035,1 5,75 7,79 764,25 
Bảng 9. Điện áp PWM 600 
kMconst
f
U
C  ,
3
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 4943,3 11,35 15,86 3535,6 
45 3893,3 10,25 14,27 2796 
40 2995,6 9,11 12,63 2161,5 
35 2305,9 7,92 11,08 1648,6 
30 1684,6 6,66 9,27 1211,5 
25 1181,3 6,14 8,40 863,97 
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
40 
Bảng 10. Điện áp PWM hài bậc ba 
2
2
, kMconst
f
U
C  
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 10801 13,81 17,78 8390,1 
45 7975,4 12,71 16,05 6312,2 
40 5764,4 11,07 14,13 4514 
35 4178,5 9,41 12,12 3245,7 
30 2975,2 8,4 10,81 2329,5 
25 2128,6 7,03 8,96 1670 
Bảng 11. Điện áp PWM hài bậc ba 
2
2
, kMconst
f
U
C  
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 4429,5 11,11 15,76 3121,8 
45 3325,5 10,70 14,66 2426,1 
40 2573,1 9,45 12,99 1871,9 
35 1937,2 8,35 11,45 1411,9 
30 1447,7 6,57 9,12 1042,5 
25 1035,5 5,79 7,83 765,11 
Bảng 12. Điện áp PWM hài bậc ba 
kMconst
f
U
C  ,
3
f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 
50 4991,3 11,18 15,76 3538,6 
45 3894,5 10,28 14,29 2802,7 
40 2995,7 9,14 12,63 2166,4 
35 2306,5 7,97 11,11 1653,6 
30 1685,1 6,67 9,27 1211,9 
25 1182,7 6,17 8,40 866,05 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Marian P.K, Mariusz M. (Warsaw Univ. of Techno., Poland), Micheal B. (Aalborg Univ., 
Denmark); Pulse Width Modulation Techniques for Three-Phase Voltage Source 
Converters. Control in Power Electronics- Selected Problems, pp. 88-160, Academic 
Press 2003. 
2. Bernard Adkins; The general theory of electrical machines; London Chapmen & Hall Ltd 
1962. 
3. Bùi Đức Hùng, Trần Khánh Hà; Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài và bão 
hòa mạch từ khi khởi động động cơ không đồng bộ bằng phương pháp mô phỏng trên 
Simulink-Matlab; Tạp chí công nghiệp số 20, tháng 10-1998. 
4. Bùi Đức Hùng; Nghiên cứu quá trình động khởi động động cơ không đồng bộ; Luận án 
Tiến sĩ khoa học kĩ thuật, ĐHBK-Hà Nội 1998 
5. Richard Valentine; Motor control electronic handbook. Mc Graw – Hill, NewYork 1998 
Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Vũ Thanh - Tel: 0912.353.376, Email: thanhbkhn@mail.hut.edu.vn 
 B/m: Thiết bị điện - Điện Tử, Khoa Điện, Trường ĐHBK Hà Nội