TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 95
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SUY GIẢM ĐIỆN ÁP TẠM THỜI
ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
STUDY ON THE EFFECT OF MOMENTARY VOLTAGE SAG ON THE OPERATING
CHARACTERISTICS OF THREE-PHASE INDUCTION MOTORS
Hoàng Quang Huy1,*, Nguyễn Công Tín1,
Nguyễn Văn Hùng2
1Lớp Điện 02 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: hqh04032002@gmail.com
TÓM TẮT
Ngày nay, động cơ không đồng bộ được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt
hàng ngày. Nguyên nhân do có nhiều ưu điểm nổi bật như cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, làm việc tin cậy, vận hành dễ dàng.
Tuy nhiên, trong điều kiện vận hành thực tế không phải lúc nào động cơ cũng làm việc trong điều kiện lý tưởng về điện
áp, tần số,... Bài báo này nghiên cứu về một sự cố thường gặp về điện áp nguồn cấp trong thực tế tác động trực tiếp đến
động cơ, đó là sụt điện áp tạm thời trên một pha. Để nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng sụt điện áp tạm thời này và đề
xuất một số biện pháp cải thiện đặc tính của động cơ khi gặp phải tình trạng này, bài báo dựa trên mô hình toán động cơ
không đồng bộ và phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink.
Từ khóa: Động cơ không đồng bộ; Mô hình toán động cơ không đồng bộ; Sụt điện áp tạm thời; Matlab/Simulink.
ABSTRACT
Nowadays, induction motors are widely used and popular in industry as well as in daily life. The reason is that there
are many outstanding advantages such as simple structure, easy manufacturing, reliable work, and simple operation.
However, in actual operating conditions, the motor does not always work in ideal conditions of voltage, frequency,...This
paper studies a common problem about the supply voltage directly affecting the motor, which is the momentary voltage
sag on a single phase. In order to study the effect of this momentary voltage sag and propose some measures to improve
the motor's characteristics when encountering this situation, the paper is based on the modeling of induction motors and
the software Matlab/Simulink.
Keywords: Induction motors; Modeling of Induction motors; Momentary Voltage Sag; Matlab/Simulink.
TỪ VIẾT TẮT
IM Induction motor Động cơ không đồng bộ
MVS Momentary Voltage Sag Sụt điện áp tạm thời
pu per unit Đơn vị tương đối
SLG Single Line to Ground Sự cố một dây chạm đất trong hệ thống điện
1. GIỚI THIỆU
Động cơ không đồng bộ(IM) là loại động cơ được sử
dụng phổ biến trong công nghiệp vì hoạt động đáng tin cậy,
cấu tạo đơn giản, chi phí ban đầu thấp, vận hành dễ dàng,
hiệu quả cao, bảo trì đơn giản. Máy cảm ứng ba pha là động
cơ tự khởi động. Nó chạy ở tốc độ không đổi từ không tải
đến đầy tải, động cơ không đồng bộ có thể hoạt động trong
môi trường khắc nghiệt. Hầu hết các sự cố động cơ điện đều
làm giảm sản xuất, gián đoạn một quy trình và có thể làm
hỏng các máy móc khác liên quan đến động cơ. Cần phải
mô hình hóa một phương pháp ngăn chặn thời gian ngừng
hoạt động đột xuất của máy điện không đồng bộ và chi phí
bảo trì cũng phải ít hơn [1-3].
Trong các sự cố liên quan đến điện áp nguồn cấp, sụt
điện áp là sự giảm giá trị trung bình bình phương gốc của
điện áp từ 0,1 xuống 0,9 trong hệ đơn vị tương đối (per unit
- pu) diễn ra trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1
phút. Sụt điện áp tạm thời được định nghĩa là sự giảm đột
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 96ngột điện áp tại một điểm trong hệ thống điện, tiếp theo là
phục hồi điện áp sau một khoảng thời gian ngắn, từ nửa chu
kỳ đến vài giây [5]. Sụt điện áp là kết quả của việc bật tải
hoặc tắt tụ điện, điều này có thể gây ra điện áp thấp cho đến
khi thiết bị điều chỉnh điện áp trên hệ thống can thiệp để
đưa điện áp trở lại trong phạm vi cho phép. Bên cạnh đó,
quá tải trên đường dây cũng có thể dẫn đến sụt điện áp [4].
Hình 1. Ví dụ gây nên sụt điện áp tạm thời do lỗi một pha chạm
đất [3]
Độ sụt điện áp thường liên quan đến lỗi hệ thống nhưng
cũng có thể được gây ra bởi việc cấp điện cho tải nặng hoặc
khởi động động cơ lớn. Hình 1 cho thấy độ sụt điện áp tạm
thời (MVS - Momentary Voltage Sag) điển hình có thể liên
quan đến lỗi một dây chạm đất (SLG - Single Line to
Ground) trên một đường dây khác từ cùng một trạm biến
áp. Độ võng 80 phần trăm tồn tại trong khoảng 3 chu kỳ cho
đến khi cầu dao trạm biến áp có thể ngắt dòng điện sự cố.
Thời gian xóa sự cố điển hình nằm trong khoảng từ 3 đến
30 chu kỳ, tùy thuộc vào cường độ dòng sự cố và loại bảo
vệ quá dòng [4].
Hình 2. Dạng sóng khi xảy sụt điện áp tạm thời do lỗi SLG [3]
Nội dung bài báo này, dựa trên cơ sở lý thuyết về mô
hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha để mô phỏng
hai đặc tính chính là: tốc độ và dòng điện của động cơ khi
xảy ra sự cố MVS trên một pha. Sau đó sử dụng phần mềm
Matlab/Simulink để mô phỏng phân tích tốc độ và dòng
điện của động cơ khi xảy ra sụt điện áp tạm thời trên một
pha.
2. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA THEO HỆ TỌA ĐỘ DQ0
Để nghiên cứu và cải thiện đặc tính làm việc động cơ
không đồng bộ ba pha thì các tác giả đã đề xuất mô hình
toán động cơ không đồng bộ theo hệ trục tọa độ dq0. Mô
hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc
được trình bày dưới dạng các phương trình vi phân dưới
đây [1-3].
2.1. Phương trình điện áp trên trục dq:
ds
ds s ds e qs
qs
qs s qs e ds
dr
dr r dr e r qr
qr
qr r qr e r dr
d
v R i dt
d
v R i dt
d
v R i ( ) 0
dt
d
v R i ( ) 0
dt
(1)
2.2. Phương trình từ thông trên trục dq:
d s s d s m d r
q s s q s m q r
d r r d r m d s
q r r q r m q s
L i L i
L i L i
L i L i
L i L i
(2)
2.3. Phương trình cơ trên trục dq:
Phương trình cơ của động cơ được xác định như sau:
Mô men điện từ:
e m q s d r d s q r
3 P
T L i i i i
2 2
(3)
Tốc độ của động cơ:
r
dP
T T
d t 2 J
(4)
Trong đó:
vds, vqs: điện áp stato theo trục d và trục q ; vdr, vqr: điện
áp rôto theo trục d và trục q
ids, iqs: dòng điện stato theo trục d và trục q ; idr, iqr: dòng
điện rôto theo trục d và trục q
λds, λqs: từ thông stato theo trục d và trục q ; λdr, λqr: từ
thông rôto theo trục d và trục q
Rs, Rr: điện trở stato và điện trở rôto
ωe, ωr: tốc độ góc của hệ quy chiếu và tốc độ quay của
rôto
Ls = Lm + Lls: điện cảm stato
Lr = Lm + Llr: điện cảm rôto
Lm: điện cảm từ hóa
Lls, Llr: điện cảm tản stato và rôto
Te: mô men điện từ
TL: mô men tải
P: số cực của động cơ
J: mô men quán tính
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 97Từ các mô hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha
như đã mô tả ở (1), (2), (3), (4) phía trên, thì động cơ sẽ
được biểu diễn dưới dạng sơ đồ mạch điện thay thế theo hệ
trục tọa độ dq0 như sau [1-3].
Sơ đồ mạch điện thay thế dọc trục (trục d):
Hình 3. Sơ đồ mạch điện thay thế của IM theo trục d
Sơ đồ mạch điện thay thế ngang trục (trục q):
Hình 4. Sơ đồ mạch điện thay thế của IM theo trục q
3. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA SỤT ĐIỆN ÁP TẠM
THỜI TRÊN MỘT PHA LÊN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA IM VỚI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
Bài báo áp dụng mô hình toán để mô phỏng động cơ
không đồng bộ ba pha lồng sóc dưới ảnh hưởng của sự cố
sụt điện áp tạm thời trên một pha. Phần mềm
Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng các đặc tính
của động cơ. Bài báo áp dụng thử nghiệm mô phỏng cho
một động cơ không đồng bộ ba pha công suất 37kW, 4 cực.
Thông số của động cơ được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Thông số của động cơ sử dụng để mô phỏng [1]
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Công suất định mức Pđm 37 kW
Điện áp định mức(/Y) Uđm 380/660
V
Dòng điện định mức() Iđm 68,6 A
Tần số nguồn f 50 Hz
Điện trở stato Rs 0,087 Ω
Điện trở rôto Rr 0,228 Ω
Điện cảm stato Ls 35,5 mH
Điện cảm rôto Lr 35,5 mH
Điện cảm từ hóa Lm 34,7 mH
Mô men quán tính J 1,662 Kg.m2
Mô men tải định mức TL 100 N.m
Số cực P 4
3.1. Mô phỏng mô hình toán của IM và sụt điện áp tạm
thời
Các khối mô phỏng mô hình toán của động cơ và khối
sơ đồ mô phỏng sụt điện áp tạm thời ứng dụng phần mềm
Matlab/Simulink được thể hiện bằng các hình dưới đây.
Khối mô phỏng biến đổi điện áp và khối mô phỏng biến
đổi dòng điện theo hệ tọa độ dq0 được trình bày như hình
5, 6 dưới đây.
Hình 5. Khối mô phỏng biến đổi điện áp sang trục dq
Hình 6. Khối mô phỏng biến đổi dòng điện sang trục dq
Hình 7 thể hiện sơ đồ khối mô phỏng và dạng sóng trong
mô phỏng của sự cố sụt điện áp tạm thời.
(a)
(b)
Hình 7. (a) Sơ đồ khối mô phỏng sự cố MVS; (b) Dạng sóng mô
phỏng sự cố MVS
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 98Mô hình tổng thể của IM theo hệ tọa độ dq khi xảy ra
sụt điện áp tạm thời trên một pha như hình 8.
Hình 8. Mô hình tổng thể của IM khi xảy ra hiện tượng MVS
3.2. Mô phỏng ảnh hưởng của sụt điện áp tạm thời lên
IM với phần mềm Matlab/Simulink
Bài báo sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô
phỏng hai đặc tính: tốc độ và dòng điện của động cơ khi xảy
ra sụt áp tạm thời trên một pha. Thông số mô phỏng được
sử dụng trong bảng 1 và kết hợp với các khối từ mục 3.1 để
mô phỏng. Đặc tính tốc độ được mô phỏng với các cấp
MVS khác nhau lần lượt: 0,4pu : 0,6pu : 0,8pu, thời gian
mô phỏng sự cố MVS từ 1 đến 2 giây. Như vậy, đối với
ba cấp sụt điện áp tạm thời khác nhau được sử dụng đều
nằm trong tiêu chuẩn IEEE Standard 1159-1995 quy định
(0,1pu đến 0,9pu). Kết quả đặc tính tốc độ được thể hiện
trong hình 9.
Hình 9. Đặc tính tốc độ của IM với các cấp sụt điện áp khác nhau
Từ hình 9 nhận thấy, sự cố MVS ảnh hưởng nhiều đến
đặc tính tốc độ của IM. Mức độ ảnh hưởng sụt điện áp <0,6
p.u, với mức sụt điện áp này, khi bắt đầu xảy ra sự cố MVS
tốc độ động cơ giảm xuống với biên độ lớn (khoảng 1.394
vòng/phút) tương ứng với biên độ 5,5% so với giá trị tốc độ
định mức (1.475 vòng/phút). Sau đó tốc độ động cơ tăng
dần lên và sau khoảng thời gian 0,2 giây thì dao động xung
quanh một giá trị tốc độ ổn định mới (khoảng 1.464
vòng/phút) với biên độ dao động khoảng ±0,6% (lớn nhất:
1.473 vòng/phút, nhỏ nhất: 1.455 vòng phút). Sau khoảng
0,1 giây khi điện áp hệ thống được ổn định lại, kết thúc sự
cố MVS, lúc này tốc độ động cơ tiếp tục biến đổi mạnh. Tốc
độ động cơ lúc này giảm xuống còn 1.402 vòng/phút, sau
đó dao động trong khoảng thời gian 0,2 giây trước khi đi
vào ổn định ở tốc độ làm việc định mức.
Với mức độ sụt điện áp 0,6 p.u (đang xét 0,8 p.u) thì
biên độ biến đổi tốc độ lớn, đặc tính biến đổi tốc độ sai khác
nhau nhiều, lúc này đặc tính tốc độ bắt đầu xấu dần. Tốc độ
giảm xuống thấp nhất khoảng 1.355 vòng/phút, sau 0,3 giây
thì dao động xung quanh một giá trị (khoảng 1.437
vòng/phút) với biên độ ±0,77% (lớn nhất: 1.448, nhỏ nhất:
1.427 vòng/phút). Khi kết thúc sự cố MVS, tốc độ động cơ
tiếp tục biến đổi và sau khoảng thời gian 0,2 giây cũng đi
vào ổn định với tốc định mức của động cơ.
Kết quả đặc tính dòng điện của động cơ không đồng bộ
ba pha khi xảy ra sự cố MVS với ba cấp sụt điện áp khác
nhau lần lượt: 0,4pu : 0,6pu : 0,8pu được thể hiện như hình
10, 11, 12.
Hình 10. Đặc tính dòng điện pha xảy ra MVS của IM với mức sụt
áp 0,4pu
Hình 11. Đặc tính dòng điện pha xảy ra MVS của IM với mức sụt
áp 0,6pu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 99
Hình 12. Đặc tính dòng điện pha xảy ra MVS của IM với mức sụt
áp 0,8pu
Từ hình 10, 11, 12 ta thấy hiện tượng MVS có tác động
đến đặc tính làm việc của dòng điện dây quấn stato. Tuy
nhiên, dòng điện nhanh chóng đi vào trạng thái ổn định với
điện áp làm việc mới. Khi xảy ra MVS, dòng điện trong quá
trình quá độ tăng lên. Ở trường hợp mức sụt áp 0,8pu (hình
12), trị tuyệt đối giá trị dòng điện pha sự cố (pha A) đạt giá
trị cực đại (950A) như vậy giá trị này không quá lớn so với
giá trị cực đại của dòng điện khởi động (1090A). Sau thời
gian khoảng 0,15 giây, dòng điện làm việc pha sự cố sẽ đi
vào trạng thái ổn định, tuy nhiên biên độ của dòng điện ở
trạng thái mới sẽ tăng lên so với dòng điện làm việc định
mức. Mức độ sụt áp MVS càng lớn, biên độ dòng điện pha
sự cố càng cao. Biên độ dòng điện pha sự cố lớn nhất ứng
với mức sụt áp 0,8pu, lúc này giá trị dòng điện hiệu dụng
trạng thái mới là 365A, như vậy gấp khoảng 5,3 lần dòng
điện định mức của động cơ (68,6A).
Khi kết thúc hiện tượng MVS, trong quá trình quá độ
dòng điện cực đại ở ở quá trình này giảm so với thời điểm
bắt đầu xảy ra MVS. Giá trị lớn nhất của dòng điện quá độ
cực đại ứng với sự cố có mức điện áp bằng 0,8pu và đạt giá
trị khoảng 647A. Sau khoảng 0,2 giây biên độ dòng điện
quay về giá trị định mức.
Như vậy, với các mức sụt điện áp khác nhau thì biên độ
dao động cũng khác nhau, mức sụt điện áp càng lớn (các
cấp sụt điện áp phải nằm trong dải tiêu chuẩn IEEE
Standard 1159-1995 quy định) thì biên độ dao động càng
lớn và thời gian để đi vào trạng thái ổn định cũng dài hơn.
Đối với mức sụt điện áp ≥0,6pu, do dòng điện dao động với
biên độ lớn (giá trị dòng điện ≥5,3 lần giá trị dòng điện định
mức), khi đó làm cho nhiệt độ của động cơ tăng lên, nếu
thời gian diễn ra sụt áp dài thì sẽ gây ra cháy, hư hỏng động
cơ, vì vậy cần có biện pháp ổn định điện áp cấp cho động
cơ.
4. KẾT LUẬN
Nội dung bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng
sụt điện áp tạm thời (MVS) tác động đến hai đặc tính chính
của động cơ đó là: tốc độ và dòng điện. Bài báo dựa trên cơ
sở lý thuyết về mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha
lồng sóc và phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để phân
tích ảnh hưởng của sự cố sụt áp tạm thời tác động đến động
cơ. Các mức độ sụt điện áp tạm thời khác nhau được sử
dụng trong mô phỏng trải đều trong dải quy định của tiêu
chuẩn IEEE Standard 1159-1995. Từ kết quả mô phỏng đã
phân tích ở mục 3.2 có thể kết luận MVS ảnh hưởng đến
đặc tính làm việc của IM. Trong khoảng thời gian xảy ra
hiện tượng MVS, tốc độ của động cơ luôn dao động xung
quanh một giá trị tốc độ mới với biên độ xác định, từ đó gây
ra hiện tượng rung lắc và tiếng ồn từ động cơ. Với kết quả
đã được mô phỏng cho thấy, với các cấp sụt điện áp lớn
(≥0,6pu) thì biên độ dao động của đặc tính tốc độ cũng tăng,
dẫn đến hiện tượng rung lắc mạnh và nhiệt độ của động cơ
tăng theo tác động xấu đến đặc tính của động cơ. Đối với
đặc tính dòng điện có cấp sụt điện áp lớn (≥0,6pu), khi kết
thúc sự cố và trở về trạng thái làm việc với điện áp định
mức, lúc này dòng điện đột ngột tăng lên giá trị rất cao, điều
này tác động xấu đến động cơ, thời gian xảy ra càng lâu thì
nhiệt độ của động cơ ngày càng tăng gây ra hư hỏng, cháy
cuộn dây stato của động cơ. Vì vậy, đối với hiện tượng sụt
điện áp tạm thời này, cần có những biện pháp để bảo vệ
động cơ như: dừng hoạt động, cắt bớt tải nối vào động cơ,
biện pháp tốt nhất nên sử dụng bộ điều chỉnh điện áp để bảo
vệ nguồn cấp vào động cơ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Aleck W.Leedy, 2013. Simulink/MATLAB Dynamic Induction Motor Model for Use as A Teaching and Research
Tool. International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE), Volume-3, Issue-4.
[2]. Bhagyashree M.S., Mrs.Raksha Adappa, 2016. Modelling and simulation of an induction machine. International
Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering. Nitte Conference on
Advances in Electrical Engineering(NCAEE), Vol. 4, Special Issue 2.
[3]. Anand Bellure, Dr. M.S Aspalli, 2015. Dynamic d-q Model of Induction Motor Using Simulink. International
Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Volume 24, Number 5.
[4]. Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty, 2012. Electrical Power Systems Quality.
McGraw-Hill, Manhattan, New York City.