Thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trở
thành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế,
nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ.
Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay
đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ Tự động hóa
(TĐH) đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân
công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người
tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy Tự Động
Hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công
nghiệp.
Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm
một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải công
suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều chỉnh
tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều.
Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt,
Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ
không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn.
Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha
điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const. Từ cơ sở lý
thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và
qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các
phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều
khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

SVTH:Tề Minh Tri
Trang 2
thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian
nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng
bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai.
Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đã
tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài tốt
nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học.
Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS Đoàn Quang
Vinh đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em
hoàn thành tốt đề tài này.
Trong quá nghiên cứu, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên không tránh
khỏi sai sót, kính mong sự giúp đỡ của các thầy cô để đề tài này được hoàn thiện
hơn.



Đà Nẵng, Ngày 10 tháng 6 năm 2011
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như
trong sinh hoạt. Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện chiều, vì
chúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắc
nghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã
mở ra một triển vọng lớn cho các loại động cơ không đồng bộ.
Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm sau:
+ Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ
làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều.
+ Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm.
+ Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như
khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 4
1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.
1.2.1 Cấu Tạo:
Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: dây quấn sơ
cấp nhận điện áp lưới với tần số f
1
, dây quấn thứ cấp được khép kín. Dây quấn thứ
cấp thứ cấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f
2
và nó là
hàm của tốc độ góc rôto
ω
.
Động cơ không đồng bộ được chia làm hai loại: động cơ KĐB dây quấn và
động cơ KĐB rôto lồng sóc.

Động cơ KĐB dây quấn là loại động cơ mà rôto có dây quấn giống stato, dây
quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao, ba đầu cũng được nối với vành trượt, đấu
với mạch ngoài bằng chổi than. Nhờ cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện trở phụ
vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ.
Động cơ KĐB rôto lồng sóc có dây quấn rôto khác hẳn với kết cấu của stato.
Trong rảnh của rôto người ta đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm và nối tắt
chúng ở hai đầu vòng ngắn mạch.
Cấu tạo gồm hai phần chính:
+ Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120
0
và được cấp điện áp xoay chiều
3 pha để tạo từ trường quay. Phần cảm đặt ở stato được nối sao hoặc tam giác.
+ Phần ứng cũng gồm 3 cuộn dây, thường đặt ở rôto, với rôto bằng sắt và rôto
dây quấn.
1.2.2 Nguyên lý hoạt động.
Động cơ KĐB làm việc dựa tren hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đặt điện áp 3
pha vào 3 dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stato. Khi từ trường quay (giả
thiết theo chiều kim đồng hồ) của phần cảm quay qua các thanh dẫn phần ứng thì
các cuộn dây (hay thanh) của phần ứng xuất hiện 1 suất điện động cảm ứng. Nếu
mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra (chiều được xác định bằng
qui tắc bàn tay phải). Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này, hai
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 5
lực từ có chiều được xác định theo qui tắc bàn tay trái, và tạo ra mômem làm quay
phần cảm theo chiều quay của từ trường quay.

Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều 3 pha
Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu
phần cảm quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường thì từ trường sẽ không quay
qua các dây dẫn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng
không còn. Do mômen cản phần cảm sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn
phần cảm lại bị từ trường quay qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện lại và do đó
mômen lẫn phần cảm tiếp tục quay theo từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn tốc
độ từ trường.
Tốc độ từ trường quay là
ω
0
(rad/s) hay n
0
(vòng/phút) thì tốc độ quay của
phần cảm
ω
luôn nhỏ hơn
ω
<
ω
0,
n<n
0

, sai lệch tương đối giữa hai tốc độ gọi là
độ trượt s.
Với s = (ω
0
- ω)/ω
0
(1-1)
ω = ω.(1-s) hay n=n
0
(1-s) (1-2)
ω = (2πn)/60, hay
ω
0
= (2πn
0
)/60 = (2πf
1
)/p (1-3)
f
1
: là tần số của lưới
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 6

Tốc độ

ω
0
(rad/s) hay n

0
(vòng /phút) là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt
được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này được gọi là tốc độ không tải lý tưởng
hay tốc độ đồng bộ.
Dòng điện cảm ứng trong phần dây phần ứng ở rôto cũng là dòng xoay chiều
với tần số xác định bởi tốc độ tương đối với từ trường quay.
0
21
()
.
60
pnn
fsf
−
== (1-4)

1.2.3 Vận hành động cơ không đồng bộ:
a) Mở máy động cơ KĐB.
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường
phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của
lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu
cầu mômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả
hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp.
Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện
có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy. Nói chung khi
mở máy cần chú ý các yêu cầu sau:
+ Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặt tính cơ của tải.
+ Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
+ Phương pháp mở máy và các thiết bị cần dùng phải đơn giản, rẻ tiền chắc
chắn.

+ Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
b Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ.
Theo thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha
của động cơ là đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không
đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi bỏ qua tổn thất do ma sát và tổn thất trong lõi
thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như
hình vẽ 1-3.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 7




Hình 1-3: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó:
U
1
là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) .

'
12
,,
III
µ
- dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện rôto đã qui đổi về
stato(A).

'
12

,,
RRR
µ
điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về
stato (
Ω
).

'
12
,,
XXX
µ
điện kháng tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi
về stato (
Ω
).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng.

[ ]
2'
12
'
22
2
01
3
,.
()

nm
UR
MNm
R
sRX
s
ω
=

++


(1-5)

Trong đó:
nm
X
điện kháng ngắn mạch
'
12
nm
XXX
=+

* Đường đặc tính cơ

Với những giá trị khác nhau của s (
01
s
≤≤

), phương trình cho những giá trị M.
Đường biểu diễn M=f(s) trên trục tọa độ s0M như hình vẽ, đó là đặc tính cơ của
động cơ không đồng bộ ba pha.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 8












Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường dặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

0
dM
ds
=

Giải phương trình ta có:
'
2
22

1
th
nm
R
s
RX
=±
+
(1-6)
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

2
1
22
011
3
2(
th
nm
U
M
RRX
ω
=
±+
(1-7)
Vì ta đang xét trong giới han (
01
s
≤≤

) (chế độ động cơ) nên giá trị s
th
và M
th

của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xaoy chiều KĐB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn ẠK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên
đoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm
việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn này
động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ
ω
=0 (s=1) và mômen
mở máy:
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 9
[ ]
2'
12
'22
012
3
,.
()
nm
UR
MNm
RRXω

=

++

(1-8)
Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (M
c
=0) và tốc độ đồng bộ.

1
0
2
f
p
π
ω=
(1-9)
c) Ảnh hưởngcủa tần số nguồn f
1
đến đặc tính cơ.
Khi thay đổi f
1
theo (1-9), tốc độ đồn bộ
0
ω
thay đổi, đồng thời X
1
,X
2
cũng bị

thay đổi (vì = 2
XfL
π
=
) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn s
th
và mômen tới
hạn M
th.
Quan hệ tới hạn theo tần số s
th
=f(f
1
) và mômen tới hạn theo tần số M
th
=f(f
1
) là
phức tạp nhưng vì
0
ω
và X
1
phụ thuộc tỷ lệ với tần số f
1
nên có thể từ các biểu thức
của s
th
và M
th

ta rút ra:

th
1
th
2
1
s:
1
:
M
f
1
f







(1-10)

Khi tần số f giảm, đồ trượt tới hạn s
th
và mômen M
th
đều tăng lên nhưng M
th
tăng

nhanh hơn.
Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức f
đm
thì tổng trở của cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động
cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng
thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:
1
1
ons
u
ct
f
=
(1-11)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1
< f
đm
. Ở vùng f
1
>f
đm
thì không thể
tăng điện áp nguồn mà giữ U
1
=U
đm

nên ở vùng này M
th
sẽ giảm tỷ lệ nghịch với
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 10

bình phương của tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
ons
U
ct
f
=
để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.

Hình 1-5: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn


Hình 1-6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần
số kết hợp với thay đổi điện áp
1.3 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.
Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rải trong các
thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp và trong các thiết bị điện dân dụng
Ước tính có khoảng 50% lượng điện năng sản suất ra được tiêu thụ bởi các hệ
thống truyền động điện.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 11

Động cơ KĐB có nhiều ưu điểm sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn,

hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi
có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được
sử dụng rất rộng rải trong các nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục
đến hàng chục ngàn KW. Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ thường được
dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công
cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp được dùng làm máy bơm
hay máy gia công nông sản. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ
ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ
trong tủ lạnh, trong máy điều hòa
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không đồng bộ là so với máy điện
một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều còn gặp nhiều khó khăn, bởi các
thông số của máy điện xoay chiều là thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản
chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ xoay chiều đòi
hỏi phải có một hệ thống tính toán cực kỳ nhanh và chính xác trong quan hệ qui đổi
các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến nay phần lớn các động
cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp
điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
1.4 KHẢ NĂNG DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU THAY CHO ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU:
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào
để có thể dễ dàng điều khiển tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ điện một
chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một
máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển
vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và mômen hoàn toàn độc
lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng)
hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 12

Điều khiển vector cho phép tạo ra các phản ứng nhanh và chính xác của cả từ
thông và mômen trong cả quá trình quá độ cũng như xác lập của máy điện xoay
chiều giống như máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn
và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng điều khiển
vector ngày càng được sử dụng rộng rải trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành
một tiêu chuẩn công nghiệp.
Với sự phát triển nhanh của nghành công nghiệp tự động đòi hỏi sự cải tiến
thường xuyên của các hệ truyền động khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là
tăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng,
tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy những hệ truyền
động của động cơ điện một chiều đang dần dần bị thay thế bởi những hệ truyền
động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính để sử dụng
rộng rải động cơ điện một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông
và mômen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua
và bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn. Trong khi
đó các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những
năm 70 với các mạch điều khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp
ứng được sự đòi hỏi chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi hỏi
một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý
thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển
vector là nền móng cho sự phát triển rộng rải của các hệ truyền động xoay chiều.(vì
giá thành động cơ xoay chiều rẻ hơn động cơ điện một chiều).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bọ biến đổi điện tử công suất, một lý
thuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó
là thuyết điều khiển trực tiếp mômen lực (Direct Torque Control hay viết là DTC)
do giáo sư Noguchi Takahashi đưa vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn
chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

SVTH:Tề Minh Tri
Trang 13


CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

2.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ.
Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn. Điều này
làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm
chí có thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp
nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải
hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải
tăng lên dòng điện bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong
suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tăng tải hệ số công
suất cũng tăng. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện
trong động cơ không hoàn toàn sin. Điêu này cũng làm giảm chất lượng công suất
nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn hoặc đảo chiều động cơ. Độ
chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất
lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng, trước phương pháp
hãm cơ được dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy
nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như
quạt, máy bơm, ở những lọa tải này mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, công
suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ này phụ thuộc
váo tải có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

SVTH:Tề Minh Tri
Trang 14

cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào mà điều này không thể thực hiện
đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện
trong động cơ có chứa nhiều thành phần bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong
động cơ dẫn đến làm giảm tuổi thọ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ bị gợn
sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạy động ở tần số cao
bởi tính cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung ảnh hưởng
đến các vòng đồng của rôto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu
không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông
minh. Với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị công suất dẫn đến việc điều khiển
động cơ một cách dễ dàng hơn.
2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ:
2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch
rôto.
Đối với động cơ rôto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi
điện trở rôto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh được thực hiện ở phía rôto.
Phương pháp này còn gọi là phương pháp biến trở.

Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở phụ ở mạch rôto
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 15

Khi đưa thêm điện trở phụ R
f
vào mạch rôto làm cho dòng điện rôto giảm

xuống dần đến tốc độ quay giảm xuống.
Điện trở tổng của mạch rôto sẽ là: R
∑
= R
r
+R
f


Trong đó: R
r
là điện trở dây quấn một pha của rôto
R
f
là điện trở phụ một pha nối tiếp với rôto
Đặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi điện trở mạch rôto như sau:

Hình 2-2: Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện trở mạch
rôto động cơ KĐB rôto dây quấn

Các đặc tính điều chỉnh phải thỏa mãn phương trình đặc tính cơ:
M =
'
'
'
'
2
)1(2
th
th
th
thth
aS
S
S
S
S
aSM
++
+
(2-1).
Trong đó:

'
th
S =
22
1
''
2
nm
f
XR
RR
+
+
(2-2).
M
th
= M
thtn
= Const (2-3).
a =
2
1
R
R
.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 16

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là M

c
và tốc độ là
ω
1
, ứng với điểm làm việc a nên đặc tính điều chỉnh như hình 2-2.
Để điều chỉnh tốc độ ta đóng R
f
vào cả 3 pha của rôto, dòng điện và mômen
của động cơ giảm đột biến (bỏ qua quán tính điện từ của động cơ) cho nên điểm
làm việc trên mặt phẳng đặc tính cơ chuyển từ a qua b, tại thời điểm đó mômen của
động cơ nhỏ hơn M
c
nên hệ giảm tốc.
Mặc khác vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động tăng. Cảm ứng
trong rôto E
2
= s.E
2nm
tăng lên, do đó dòng điện và mômen của động cơ lại tăng lên
cho đến khi M=M
c
thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới ω
2
<ω
1
trạng thái này ứng
với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh R
f
. Khi điều chỉnh điện trỏ R
f

=0 tới R
f
=R
1
ta
có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong miền nằm giữa đặc tính cơ tự nhiên và đặc
tính cơ của biến trở với R
f
=R
1
.
Nhận xét:
+ Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm.
Tuy vậy đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh khá liên tục
trong phạm vi khá rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cỡ trung
bình.
+ Thao tác đơn giản.
+ Giá thành ban đầu cũng như chi phí bảo trì thấp.
+ Đặc tính cơ dốc khi tốc độ thấp nên nên phương pháp này sẽ cho tốc độ kém
ổn định.
+ Phương pháp không kinh tế vì tổn thất năng lượng lớn.
Ứng dụng đối với các hệ thống làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại và không
yêu cầu về ổn định tốc độ cao như: máy nâng, cầu trục, thang máy …
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực.
* Sơ đồ nguyên lý.
Phương pháp thay đổi số đôi cực thường được dùng nhiều nhất cho động cơ
hai cấp tốc độ, có hai cách đấu như sau:
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 17

Hình 2-2: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ
∆
-YY



Hình 2-3: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY

Để thay đổi số đôi cực p người ta thay đổi cách đấu dây ở stato của động cơ.
Những máy đặc biệt này người ta gọi là máy đa tốc độ. Số đôi cực của nó được
thay đổi bằng hai cách khác nhau. Cách thứ nhất dùng hai tổ nối dây riêng biệt mỗi
tổ có hai số đôi cực riêng, cách thứ hai dùng: dùng một tổ dây quấn stato nhưng
mỗi pha được thành hai đoạn. Thay đổi cách nối giữa hai đoạn đó ta sẽ thay đổi một
đôi cực p. Cách thứ nhất tạo được hai cấp tốc độ bất kỳ không phụ thuộc nhau.
Cách thứ hai có sơ đồ đấu dây phức tạp và có hai cấp tốc độ phụ thuộc nhau.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 18

Khi đổi nối từ
∆
à YY: ta có những quan hệ sau: khi đấu
∆
hai đoạn dây stato
đấu nối tiếp nên:
R
1

= 2r
1
; X
1
= 2X
1

Và tương ứng R
2
= 2r
2
; X
2
= 2X
2
; X
nm
= 2X
nm
(2-4).
Trong đó r
1
, r
2
, X
1
, X
2
, là các điện trở và các điện kháng mỗi đoạn dây stato và rôto.
Điện áp đặt lên dây quấn mỗi pha là: U

f
∆
=
1
3U .
Do đó: S
th
∆
=
2
)'
2
1
2
1
'
2
(
∆
∆∆
∆
++ XXR
R
=
22
1
'
2
nm
Xr

r
+
(2-5).
M
th
∆
=
2
1
22
011nm
U33
2RRR
∆∆∆

ω±+

=
2
1
22
012nm
9U
4rrX

ω±+

(2-6).
Khi nối YY thì: R
1YY

=
2
1
r
1
; X
1YY
=
2
1
X
1
; R
2YY
=
2
1
r
2
; X
2YY
=
2
1
X
2
(2-7).
Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là: U
fYY
= U

1

Vì vậy: S
thYY
=
)(
'
2
2
1
2
1
'
2
YYYYYY
YY
XXR
R
++
=
22
1
'
2
nm
Xr
r
+
= S
th

∆
(2-8).

M
thYY
=

ω±+

2
1
22
0YY1YY1YYnmYY
3U
2RRX
=
2
1
22
011nm
3U
2rrX

ω±+

(2-9).

So sánh hai công thức (2-6) và (2-9) ta thấy:

∆th
thYY
M
M
=
3
2
(2-10)

Như vậy khi nối
∆
- YY thì tốc độ lý tưởng không tải tăng hai lần, s
th
giữ
nguyên, mômen tới hạn M
th
giảm
1
3
.
Đặc tính cơ của nó có dạng:



Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 19

Hình 2-2: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho
phép khi đổi nối dây quấn stato
∆
- YY

Khi đổi nối Y-YY:
S
thY
=
22
1
'
2
nm
Xr
r
+
(2-11).
M

thY
=
2
1
22
011nm
3U
4rrX

ω±+

(2-12).
S
thY
= S
thYY
; M
thY
=
2
1
M
thYY
(2-13).
Dạng đặc tính cơ của nó có dạng:

Hình 2-3: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho
phép khi đổi nối dây quấn stato Y- YY
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 20

Nhận xét:
• Ưu điểm của phương pháp thay đổi số đôi cực p là thiết bị đơn giản, giá
thành hạ, các đặc tính cơ đều cứng, khả năng điều chỉnh triệt để. Độ chính
xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể.
• Nhược điển lớn nhất của phương pháp này là có độ tinh kém (nhảy cấp), dải
điều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn nên động cơ đa tốc được
chế tạo với công suất dưới 20÷30 kW và được sử dụng trong một số máy cắt
kim loại và nâng bơm ly tâm và của quạt gió.

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào
động cơ.
a) Nguyên lý điều chỉnh
Để thay đổi điện áp người ta dùng bộ biến đổi có điện áp ra tùy theo tín hiệu
điều khiển đặt vào.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 21

Nếu bỏ qua tổng trở của nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch rôto.
Khi điện áp của bộ biến đổi U
2
thì ta được họ đặc tính điều chỉnh như hình 2-5.
Khi đó: Độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị:
'
2
22
1
th
n
r
s
rx
=
+
(2-14).
Mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp:

2
2
tut

MMU
=
(2-15).
Với
2
2
22
1
11
3
2
()
9,55
t
n
U
M
n
rrx
π
=
++

Trong đó: M
tu
: mômen tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh.
U
2
: điện áp ra của bộ biến đổi

Hình 2-5: Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điện trở
phụ trong mạch rôto.

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ.
Khi dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trở
phụ vào mạch rôto như hình (2-4) thì khi đó:
Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U
2
=U
1
) thì ta được đặc tính mềm hơn
đặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh).
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 22

Nếu giá trị điện áp đặt vào stator khác với giá trị định mức thì mômen tới hạn
lúc điều chỉnh điện áp M
tu
sẽ thay đổi theo tỷ lệ bình phương điện áp, còn độ trượt
tới hạn thì không đổi. nghĩa là:

2
2
tut
MMU
=

S

th
=const
Khi xét đến tổng trở của bộ biến đổi thì việc xác định đặc tính giới hạn có
phức tạp. Khi đó ta xem điện trở r
b
và điện kháng x
b
của bộ biến đổi có giá trị cố
định không phụ thuộc vào điện áp U
2
. Lúc đó:

2
2
222
1
11
3
2
()()()
9,55
t
bbbn
U
M
n
rrrrxx
π
=


+++++

(2-16).

'
2
22
1
()()
f
th
bbn
rr
s
rrxx
+
=
+++
(2-17).
Ta được phương trình đặc tính cơ:
2(1)
2
t
t
t
M
M
s s
ss
ε

ε
+
=
++
(2-18).
Với
1
22
1
()()
b
bbn
rr
rrxx
ε
+
=
+++

Dạng đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 2-6.

Hình 2-6: Đặc tính điều chỉnh khi dùng điện trở phụ vào mạch rôto.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 23

b) Phương pháp dùng bộ điều chỉnh điện áp bằng thyristor.
Đây là bộ điều chỉnh được ứng dụng ngày càng nhiều trong điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ vì có nhiều ưu điểm so với bộ biến đổi xoay chiều khác
như dùng biến áp tự ngẫu, dùng khếch đại từ…

Sơ đồ nguyên lý:



Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dùng thyristor

Bộ điều chỉnh thyristor này tương đối đơn giản gồm 6 thyristor. Khi ở trạng
thái xác lập, các thyristor mở ở những góc kích như nhau và không đổi. Khi đó
T
1
,T
3
,T
5
, dẫn ở nữa chu kỳ dương, T
2
,T
4
,T
6
dẫn ở nữa chu kỳ âm của lưới điện.
Điện áp đặt vào stato của động cơ U
2
(điện áp ra của bộ biến đổi) là những
phần đường hình sin trên đồ thị sau:

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 24

Hình 2-8: Đồ thị điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh thyristor
Giả thiết đường cong trên hình (2-8) là đồ thị điện áp của pha A đưa vào stato của
động cơ qua hai thyristor T
1
,T
4
.
Nếu T
1
mở ở góc
α
=0 thì T
1
sẽ dẫn cho đến thời điểm
π
, do điện áp lưới
dương đặt vào Anot, và sau đó dẫn từ
π
đến
π
+
δ
là nhờ năng lượng điện từ tích
trong dây quấn stator.
Tương tự thyristor T
4
dẫn ở nữa chu kỳ âm và góc
δ
phụ thuộc vào độ trượt s.

Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh ta bỏ qua điện trở của thyristor. Khi thyristor đang
dẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với những góc
α
khác nhau được vẽ trên hình
(2-9). Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điều
chỉnh có thể khác với độ trượt s
t
.

Hình 2-9: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
dùng bộ điều khiển thyristor
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 25

* Nhận xét và ứng dụng:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng thyristor vì thực
hiện dễ dàng và tự động hóa. Xét về chỉ tiêu năng lượng tuy tổn thất trong bộ biến
đổi không đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất
phụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thường
dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt thông
gió, máy li tâm …
2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số:
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số
đôi cực theo công thức:

1
0

2
f
p
π
ω =

Mà ta lại có tốc độ của rôto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công
thức:
0
(1)
s
ωω
=−

Do đó bằng việc điều chỉnh tần số f
1
hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều
chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số
đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f
1
. Bằng
cách thay đổi tần số nguồn f
1
có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng khi
tần số giảm thì trở kháng của động cơ giảm theo (X=2πfL). Kết quả làm cho dòng
điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không đổi sẽ làm cho
mạch từ bị lão hóa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy
được hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là thay đổi tần số cần có một luật
điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi, từ thông này có thể là từ
thông stator Φ

1
, từ thông của rôto Φ
2
, hoặc từ thông của tổng mạch từ Φ
µ
. Vì