Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khởi động mềm cho động cơ không động bộ 3 pha

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
—

–

˜

&

™

—

–






BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG
MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Cơ quan chủ trì:
Chủ nhiệm đề tài:








VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

TH.S. MAI VĂN TUỆ


HÀ NỘI – 2010


BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
—

–

˜

&

™

—

–





BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG
MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA





CƠ QUAN CHỦ TRÌ
VIỆN TRƯỞNG

Nguyễn Thế Truyện

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI








Mai Văn Tuệ


Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 1
-
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
- 2 -
MỘT SÔ THUẬT NGỮ NGỮ VIẾT TẮT
- 4 -
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
- 1 -
1.1

Giới thiệu chung.
- 1 -
1.2

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước.
- 1 -
1.3

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài.
- 2 -
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT.
- 4 -
2.1

Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ.
- 4 -
2.1.1

Khởi động động cơ không đồng bộ.
- 4 -
2.1.2

Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha.
- 5 -
2.1.3

Bài toán năng lượng.
- 14 -
2.2

Điều áp xoay chiều ba pha.
- 18 -
2.2.1

Một số mạch thông dụng.
- 18 -
2.2.2

Điều áp xoay chiều ba pha mạch thuần trở
- 20 -
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.
- 24 -
3.1

Chi tiết các tính năng
- 24 -
3.2

Thiết kế phần cứng
- 33 -
3.2.1

Sơ đồ khối
- 33 -
3.2.2

Thiết kế chi tiết từng khối
- 36 -
3.2.2.1

Khối đồng bộ theo điện áp.
- 36 -
3.2.2.2

Khối đồng bộ theo dòng điện.
- 38 -
3.2.2.3

Khối Thyristor.
- 39 -
3.2.2.4

Khối cách li.
- 40 -
3.2.2.5

Khối có chức năng bảo vệ.
- 42 -
3.2.2.6

Khối giao tiếp và khối xử lí trung tâm
- 46 -
3.3

Thiết kế phần mềm
- 49 -
3.3.1

Các công cụ sử dụng
- 49 -
3.3.2

Cơ sở thiết kế

- 49 -
3.3.3

Lưu đồ trạng thái phần mềm.
- 52 -
CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM - 55 -
5.1 Các chức năng cần thử. - 55 -
5.1.1 Mẫu HS2P-200 - 55 -
5.1.2 Mẫu HS3P-200 - 55 -
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 2
-
5.2 Phương pháp thử - 55 -
5.3 Chuẩn bị. - 55 -
5.4 Thực hiện và kết quả. - 56 -
5.4.1 Trong phòng thí nghiệm. - 56 -
5.4.2 Thử nghiệm thực tế. - 60 -
PHỤ LỤC - 70 -
5.1 Các sơ đồ đấu nối của bộ khởi động mềm - 70 -
5.2
Một số lưu ý khi vận hành thiết bị - 71 -
5.2.1
Bộ
HS2P-200
- 71 -
5.2.2
Bộ
HS3P-200
- 72 -
5.3 Giới thiệu về thiết bị đo dòng và áp hiệu dụng U/I RMS-HTC - 73 -

5.4 Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến bộ khởi động mềm trung thế. - 75 -
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 77 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO. - 78 -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Sơ đồ khởi động trực tiếp. - 5 -
Hình 2.2: Sơ đồ khởi động đổi nối sao- tam giác. - 6 -
Hình 2.3: Đặc tính dòng theo thời gian của phương pháp đổi nối Y/∆ - 8 -
Hình 2.4: Sơ đồ khởi động nhờ cuộn kháng. - 8 -
Hình 2.5: Sơ đồ khởi động nhờ biến áp tự ngẫu. - 10 -
Hình 2.6: Mở máy bằng cách mắc điện trở phụ vào roto. - 11 -
Hình 2.7: Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp xoay chiều ba pha. - 12 -
Hình 2.8: Các đường đặc tính với các phương pháp khởi động khác nhau. - 13 -
Hình 2.9: Mối quan hệ hiệu suất động cơ với tải làm việc. - 15 -
Hình 2.10: Mối quan hệ hệ số công suất động cơ với tải - 15 -
Hình 2.11: Mô hình tiêu thụ năng lượng điện của động cơ - 16 -
Hình 2.12: Đặc tính Moment theo độ trượt với các chế độ làm việc. - 17 -
Hình 2.13: Mô hình tiêu thụ điện của động cơ - 18 -
Hình 2.14: Sơ đồ đấu sao có trung tính. - 19 -
Hình 2.15: Sơ đồ đấu sao không trung tính - 19 -
Hình 2.16: Sơ đồ đấu tam giác - 20 -
Hình 2.17: Dạng phát xung điều khiển - 20 -
Hình 2.18: Đồ thị điện áp trên tải khi
0
30
α =
- 21 -
Hình 2.19: Đồ thị điện áp trên tải khi
0

75
α =
- 22 -
Hình 2.20: Đồ thị điện áp trên tải khi
0
120
α =
- 22 -
Hình 2.21: Đặc tính điện áp hiệu dụng trên tải theo góc mở α - 23 -
Hình 3.1: Quá trình tăng áp trên tải khi khởi động - 24 -
Hình 3.2: Quá trình giảm áp trên tải khi dừng mềm. - 25 -
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 3
-
Hình 3.3: Đặc tính áp và dòng với chức năng khởi động có kick - 26 -
Hình 3.4: Đặc tính áp và dòng với chức năng khởi động có giới hạn dòng - 27 -
Hình 3.5: Đặc tính điện áp hiệu dụng trên tải theo thời gian - 28 -
Hình 3.6: Bàn phím và chức năng của từng phím - 29 -
Hình 3.7: Cấu trúc menu. - 30 -
Hình 3.8: Chọn tải khởi động. - 31 -
Hình 3.10: Lấy lại tham số mặc định của hệ thống. - 33 -
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển khởi động mềm
HS2P-200
. - 34 -
Hình 3.12: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển khởi động mềm
HS3P-200
. - 35 -
Hình 3.13: Tạo xung đồng bộ dùng IC khuếch đại thuật toán. - 37 -
Hình 3.14 : Sơ đồ nguyên lí khối đồng bộ dùng coupler. - 37 -
Hình 3.15: Giản đồ xung đồng bộ theo điện áp. - 38 -

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí khối báo khởi động xong - 38 -
Hình 3.17: Khối cách li. - 41 -
Hình 3.18: Bảng lựa chọn R, C bảo vệ van. - 42 -
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lí khối báo mất pha. - 43 -
Hình 3.20: Giản đồ xung đồng bộ của ba pha. - 43 -
Hình 3.21: Bảng chân lí khi đủ pha. - 44 -
Hình 3.22: Bảng chân lí khi mất pha A - 44 -
Hình 3.23: Bảng chân lí khi mất pha B - 44 -
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lí mạch biến đổi dòng cách li. - 45 -
Hình 3.26: Sơ đồ chân và nguyên lí hoạt động của Thermostats. - 46 -
Hình 3.27: Sơ đồ mạch nguyên lí khối phản hồi nhiệt. - 46 -
Hình 3.28: Khối giao tiếp. - 47 -
Hình 3.29: Sơ đồ chân vi xử lí ATMega162. - 48 -
Hình 3.30: Khối xử lí trung tâm. - 49 -
Hình 3.31: Qui luật biến đổi điện áp đặt vào động cơ theo thời gian. - 50 -
Hình 3.32: Mối quan hệ giữa U và α. - 51 -
Hình 3.33: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ
HS2P-200
- 52 -
Hình 3.34: Lưu đồ trạng thái chương trình bộ
HS3P-200
- 53 -
Hình 4.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm. - 56 -
Hình 4.2: Đồ thị điện áp và dòng với bộ HS2P-200 - 58 -
Hình 4.3: Đồ thị điện áp và dòng với bộ đối chứng SM44 IP20 - 58 -
Hình 4.4: Đồ thị áp và dòng với bộ HS3P-200. - 59 -
Hình 4.5: Đồ thị áp và dòng với bộ đối chứng XFE132 của FairFord. - 60 -
Hình 4.6: Động cơ 45kW với tải là quạt hút cho trạm trộn Asphalt - 61 -
Hình 4.7: Bộ sản phẩm của đề tài và máy đo M/I RMS – HTC. - 62 -
Hình 4.8: Máy tính phục vụ việc lưu trữ và đồ thị hóa - 63 -

Hình 4.9 : Đồ thị áp và dòng khi khởi động dùng đổi nối sao tam giác. - 64 -
Hình 4.10: Đồ thị áp và dòng với bộ HS2P-200 chế độ Standard. - 65 -
Hình 4.11 : Đồ thị áp và dòng với bộ HS2P-200 chế độ High inertia Fan. - 66 -
Hình 4.12 : Chức năng khởi động có kick. - 67 -
Hình 4.13 : Điện áp và dòng trên động cơ với bộ HS3P-200. - 68 -
Hình 4.14 : Quá trình khởi động có kick của bộ HS3P-200. - 69 -
Hình 5.1: Sơ đồ đấu nối với bộ
HS2P-200
- 70 -
Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối với bộ
HS3P-200
- 71 -
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 4
-
Hình 5.3: Bảng các loại lỗi của bộ HS3P-200 - 73 -
Hình 5.4: Sơ đồ khối thiết bị U/I RMS-HTC. - 73 -
Hình 5.5: Giao diện của phần mềm trên máy tính. - 74 -
Hình 5.6: Giao diện của phần mềm trên máy tính. - 74 -
Hình 5.7: Sơ đồ khối bộ khởi động trung thế. - 75 -
Hình 5.8 Ghép nối các Thyristor. - 76 -








MỘT SÔ THUẬT NGỮ NGỮ VIẾT TẮT

1. LCD: Liquid Crystal Display
2. EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
3. ALU:
Arithmetic Logic Unit

4.
RICS: Reduced Instruction Set Computer.

5. CISC: Complex Instruction Set Computer
6. CPU: Center Processing Unit
7. PWM: Pulse Width Modulation
8. ADC: Analog Digital Converter
9. SPI: Serial Peripheral Interface
10. IIC: Inter Intergrated Circuit
11. D.O.L: Direct on line
12. IM: Inductor motor


Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 1
-
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
Nội dung chính:
v Giới thiệu chung
v Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước
v Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
1.1 Giới thiệu chung.
Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong nền công nghiệp quốc dân.
Ưu điểm nổi bật của động cơ này là : Cấu trúc đơn giản, làm việc chắc chắn, tin cậy, giá
thành hạ… Đặc biệt là nó có khả năng dùng trực tiếp lưới điện mà không cần qua các bộ

biến đổi. Tuy nhiên nó có nhược điểm là khống chế các quá trình quá độ, đặc biệt là khi
khởi động cũng như điều khiển tốc độ gặp nhiều khó khăn.
Ngày nay các bộ điều khiển động cơ không đồng bộ có mặt rộng khắp trên thị
trường trong và ngoài nước. Tuy nhiên cấu tạo bên trong cũng như các qui luật điều
khiển vẫn là một bí mật của các hãng sản xuất. Vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu bộ
khởi động mềm với mong muốn có thể chế tạo ra sản phẩm để có thể thay thế hàng nhập
ngoại với giá cả rẻ hơn.
1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước.
Ngoài nước
Do khả năng ứng dụng ngày càng rộng rãi của động cơ không đồng bộ ba pha nên
việc chế tạo ra các bộ khởi động mềm cho các động cơ này cũng phát triển theo. Hiện
nay có rất nhiều hãng đã sản xuất chế tạo ra các bộ khởi động mềm cho động cơ không
đồng bộ, chủ yếu dưới dạng số sử dụng kĩ thuật vi xử lí. Tùy theo công suất động cơ, yêu
cầu về tính năng cũng như giá cả mà các hãng đưa ra các sản phẩm với rất nhiều chủng
loại khác nhau cho khách hàng chọn lựa. Có thể kể tên một số hãng nổi tiếng như:
Fairford, Abb, Siemens, Danfoss…
Trong nước
Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các nghành công
nghiệp đang được chú trọng và phát triển. Trong các nhà máy, xí nghiệp với các máy tự
động , dây chuyền sản xuất, cơ cấu nâng hạ v v…thì không thể thiếu động cơ, đặc biệt là
động cơ không đồng bộ. Vì thế nhu cầu sử dụng các bộ khởi động mềm cho các động cơ
này cũng tăng theo
. Tuy nhiên các bộ khởi động mềm cho các động cơ này thường là
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 2
-
dưới dạng mạch tương tự có thiết bị cồng kềnh, khả năng tự động hóa kém. Một số xí
nghiệp nhập các bộ khởi động mềm số của các nước khác về nhưng với giá thành cao.
Công tác nghiên cứu: Trong vài năm gần đây, cũng có một số nghiên cứu về vấn
đề này, tuy nhiên tất cả chỉ dừng ở lại ở mức độ lý thuyết, một số bài báo có đề cập vấn

đề này nhưng cũng chỉ mang tính thảo luận và chưa có tính qui mô.
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài.
Trong tình hình như vậy, đề tài đặt ra mục tiêu tìm hiểu và thiết kế 02 mẫu khởi
động mềm cho động cơ không đồng bộ 3 pha.
Ø Thông số kỹ thuật
Mẫu KĐM đơn giản (các tham số đặt bằng núm
vặn)
Thông số Giá trị
-

Đi
ện v
ào 3 phase max

VAC

230

- Dòng tải max
AAC
200
- Dải điều chỉnh Điện áp nền,
%Un
30-50
- Thời gian Start
Sec
1.5-30
- Thời gian Stop
Sec
0-30

- Tần suất khởi động với 500% dòng định mức lần/h 5
Mẫu KĐM thông minh (có màn LCD)


- Điện vào 3 phase max VAC 230
- Dòng tải max AAC 200
-

D
ải
đ
i
ều chỉnh Điện áp nền,

%Un

30
-
50

- Thời gian Start Sec 1.5-30
- Thời gian Stop Sec 0-30
- Tần suất khởi động với 500% dòng định mức lần/h 5
- Bảo vệ

mất pha, quá áp, quá dòng
- Giới hạn dòng điện khởi động
AAC
tăng giảm được
- Giới hạn dòng điện hoạt động

AAC
điều chỉnh được
- Tiết kiệm điện năng

Đ
i
ều chinh
đ
i
ện áp khi l
àm
việc

Ø Yêu cầu về tính năng.
v Đối với bộ đơn giản (HS2P-200):
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 3
-
• Có khả năng khởi động mềm và dừng mềm.
• Báo lỗi, tự động xử lí lỗi trong quá trình hoạt động như: Mất pha, quá dòng
khởi động, quá nhiệt, hỏng Thyristor.
• Có thể chọn lựa chương trình ứng dụng cho từng loại tải như: Máy bơm,
quạt gió, máy nén, máy nghiền, băng tải…
v Đối với bộ thông minh (HS3P-200):
• Có khả năng khởi động mềm và dừng mềm.
• Báo lỗi, tự động xử lí lỗi trong quá trình hoạt động như: Mất pha, quá dòng
khởi động, quá nhiệt, hỏng Thyristor.
• Giao diện cài đặt đơn giản với các phím bấm và màn hình LCD 16x2 dòng
giúp người vận hành có thể dễ dàng cài đặt các thay đổi như:
o Có thể khởi động hoặc dừng nhanh bằng các tham số mặc định.

o Thời gian khởi động và dừng có thể thay đổi tùy theo loại tải.
o Dải điều chỉnh điện áp khởi động hoặc dừng có thể thay đổi được từ
10%-60% điện áp lưới để đưa ra điện áp phù hợp với momen khởi động.
o Có chế độ khởi động kickstart.
o Có thể thay đổi giới hạn dòng khởi động .
o Có thể chọn lựa chương trình ứng dụng cho từng loại tải như: Máy bơm,
quạt gió, máy nén, máy nghiền, băng tải…
o Có thể chọn lựa chế độ chạy của động cơ sau khi khởi động .
Ø Nội dung nghiên cứu của đề tài
Để đạt được các mục tiêu trên, đề tài cần tiến hành các nội dung sau:
v Khảo sát một số bộ khởi động mềm số của một số hãng, lựa chọn các
phương pháp thiết kế cho phù hợp.
v Tìm hiểu các vấn đề lí thuyết khởi động mềm.
v Thiết kế xây dựng sơ đồ nguyên lí
v Thiết kế chế tạo mạch in, lắp ráp linh kiện, hiệu chỉnh phần cứng
v Xây dựng phần mềm nhúng cho vi xử lí.
v Thử nghiệm kết quả trong phòng thí nghiệm với động cơ công suất nhỏ.

Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 4
-
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT.
Nội dung chính:
Ø Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ.
o Khởi động động cơ không đồng bộ.
o Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ.
o Bài toán năng lượng.
Ø Đièu áp xoay chiều ba pha.
2.1 Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ.
2.1.1 Khởi động động cơ không đồng bộ.

Biến đổi năng lượng, từ điện năng thành cơ năng làm quay rotor là đặc điểm cơ
bản nhất của hầu hết các loại động cơ điện. Tuy nhiên việc điều khiển dòng năng lượng
này, đặc biệt trong quá trình khởi động động cơ là một quá trình phức tạp. Các mạch
điều khiển dùng contactor để cho phép đóng hoặc ngắt trực tiếp động cơ với nguồn cấp
là phương pháp đơn giản nhất. Thậm chí ngày nay, sau hơn 100 năm từ khi phát minh ra
động cơ không đồng bộ, thì hệ thống điều khiển động cơ dựa trên contactor vẫn còn
được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, việc điều khiển này gây ra nhiều tác hại không mong
muốn. Như đã biết, moment khởi động của động cơ tỉ lệ với bình phương dòng điện:

2
motor
MI


Dòng khởi động lại tỉ lệ với điện áp cấp cho động cơ
è
2
motor
MU


è Moment khởi động sẽ rất lớn nếu động cơ được đóng trực tiếp vào lưới điện,
gây ra các tác hại cả về cơ khí lẫn điện năng.
- Tác hại về điện năng: Gây sụt áp lưới điện. Dòng khởi động lớn, nếu duy trì
trong thời gian dài gây nóng và hại động cơ.
- Tác hại về cơ khí: Moment khởi động lớn gây ra hiện tượng giật cơ khí
->
nhanh dơ (khớp nối ), dãn (cu roa, băng tải)… làm các bộ phận truyền động
nhanh hỏng, giảm tuổi thọ của thiết bị.

Để giảm thiểu những tác hại trên thì cần phải giảm dòng khởi động của động cơ.
Điều đó lý giải vì sao vấn đề khởi động động cơ không đồng bộ nói chung và đặc biệt là
động cơ công suất lớn là vấn đề cần được quan tâm nhiều.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 5
-
2.1.2 Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha.
Tuỳ theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về khởi động đối
với động cơ điện cũng khác nhau. Nói chung khi khởi động động cơ cần xét đến yêu cầu
cơ bản sau:
• Phải có Momen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.
• Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
• Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.
• Tổn hao công suất quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
Dưới đây là một số phương pháp cơ bản để khởi động cơ không đồng bộ ba pha.
Dựa trên mối quan hệ
2
motor
MU

nên hầu hết các phương pháp khởi động động
cơ bằng cách giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động qua đó dòng
khởi động cũng giảm.

2.1.2.1 Khởi động trực tiếp.
Đây là phương pháp đơn giản nhất để khởi động động cơ. Năng lượng điện được
cấp trực tiếp cho động cơ thông qua việc đóng contactor K.

Hình 2.1: Sơ đồ khởi động trực tiếp.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

- 6
-
Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là đơn giản, giá thành thấp. Tuy nhiên
phương pháp này gây ra dòng khởi động rất lớn gây ra các tác hại không mong muốn
như đã được đề cập trong mục 2.1.1. Phương pháp này thường ứng dụng cho những
động cơ công suất nhỏ( thường không quá 22kW) hoặc ứng dụng cho những nơi có công
suất nguồn cấp đủ lớn.
2.1.2.2 Đổi nối sao tam giác.
Dựa trên mối quan hệ moment tỉ lệ với bình phương điện áp, nên việc khởi động
động cơ thông qua việc giảm điện áp khởi động được ứng dụng trong thực tế. Phương
pháp đơn giản nhất là khởi động động cơ bằng đổi nối sao tam giác.

Hình 2.2: Sơ đồ khởi động đổi nối sao- tam giác.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 7
-
Phương pháp này thích ứng với những động cơ khi làm việc bình thường đấu
tam giác. Bằng việc sử dụng ba contactor và một relay thời gian, bộ đổi nối sao-tam giác
sẽ làm thay đổi sơ đồ đấu nối của động cơ. Lúc khởi động, K3 đóng, K2 cắt nên động cơ
chạy ở chế độ tải hình sao(= 58% điện áp định mức khi chạy ở chế độ hình sao). Khi
động cơ đạt khoảng 80% tốc độ, bộ đổi nối sẽ chuyển trạng thái làm việc của động cơ từ
sao sang tam giác nhờ relay thời gian thông qua việc đóng K3 và cắt K2.

Khi tải là hình sao thì điện áp đặt lên tải là:
*3
dYF
UU=
Và dòng điện qua tải:
YF
II

=

Khi đấu tam giác:
L
UU
∆
=
3
F
II
∆
=
Như vậy:
3
Y
I
I
∆
=

3
dY
UU
∆
=
Do momen tỉ lệ với bình phương điện áp nên:
3
MTT
Y
M

M =

Nhận xét: Dòng khởi động giảm
3
, momen khởi động giảm 3 lần so với khởi
động trực tiếp. Mặc dù phương pháp này có cải tiến hơn so với việc khởi động trực tiếp,
tuy nhiên nó vẫn không giải quyết triệt để nhược điểm của việc khởi động trực tiếp. Mặt
khác khi chuyển từ sao sang tam giác sẽ tồn tại thời điểm động cơ không được kết nối
với nguồn cấp, nhưng dòng điện qua rotor vẫn tồn tại gây ra từ trường cắt các cuộn dây
stator. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, sẽ có điện áp trên cuộn dây stator mà tần số phụ
thuộc vào tốc độ quay của rotor. Nếu lực quán tính của tải nhỏ như tải bơm hoặc lực
masat lớn sẽ làm giảm đáng kể tốc độ của động cơ trong thời gian không kết nối này.
Khi động cơ được kết nối lại với nguồn cấp ở chế độ tải tam giác, sẽ có độ lệch pha lớn
nguồn cấp với dòng qua rotor là nguyên nhân khiến dòng qua động cơ tăng vọt.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 8
-

Hình 2.3: Đặc tính dòng theo thời gian của phương pháp đổi nối Y/∆
Tuy chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nhưng hiện tượng trên vẫn gây ra những hư
hỏng nhất định.

2.1.2.3 Dùng cuộn kháng khởi động.

Hình 2.4: Sơ đồ khởi động nhờ cuộn kháng.

Mất một khoảng thời gian dài người ta mới nhận ra được những nhược điểm của
phương pháp khởi động đổi nối sao tam giác như đã đề cập. Sau đó người ta mới phát
minh ra phương pháp điều khiển êm hơn đó là dùng cuộn kháng để khởi động.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

- 9
-
Khi khởi động, K2 cắt. Lúc này, trong mạch điện stato được đặt nối tiếp một cuộn
kháng. Sau một thời gian, ta hoàn tất việc khởi động bằng cách đóng K2 thì điện kháng
trên sẽ bị ngắt khỏi mạch. Có thể điều chỉnh trị số điện kháng để có được dòng điện mở
máy cần thiết. Cũng có thể mắc thêm nhiều cuộn kháng để quá trình khởi động êm hơn.
Do có sụt áp trên điện kháng nên điện áp đặt vào động cơ U
DC
sẽ giảm đi và nhỏ hơn
điện áp lưới U
L
.
Giả sử:
(1)
L
DCCK
CK
U
UK
K
=>

K
CK
hệ số sụt áp.
Gọi dòng điện mở máy và mômen mở máy trực tiếp là I
MTT
và M
MTT
. Sau khi

thêm điện kháng vào, dòng điện mở máy còn lại I
MCK
:
*
DC
LMTT
MCK
DCCKDCCK
U
UI
I
ZKZK
===

Vì mômen mở máy tỷ lệ với bình phương của điện áp nên Mômen khởi động khi
có điện kháng sẽ là :
2
CK
MTT
MCK
M
M
K
=

Dòng khởi động giảm đi
K
CK
lần, momen khởi động giảm
2

CK
K
lần so với phương
pháp khởi động trực tiếp.

2.1.2.4 Dùng máy biến áp tự ngẫu.
Trong hình 2.5, T là biến áp tự ngẫu có cao áp nối với lưới điện, hạ áp nối với
động cơ. Khi khởi động ta đóng D3 và mở D2. Sau khi khởi động động cơ xong ta cắt
máy biến áp ra bằng cách đóng D2 và mở D3.
Với máy biến áp ta có:
1
2
BA
U
k
U
=


Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 10
-

Hình 2.5: Sơ đồ khởi động nhờ biến áp tự ngẫu.


Mặt khác dựa vào sơ đồ ta thấy:
1212
;;;
LDCLDC

UUUUIIII
====

Nên ta có:
L
DC
BA
U
U
k
=
*
DC
LL
DC
DCBADCBA
U
UI
I
ZkZk
===

2
MTT
MBA
BA
M
M
k
=

Dòng khởi động giảm đi k
BA
lần, momen khởi động giảm
2
BA
k
lần so với khởi
động trực tiếp.

2.1.2.5
Mắc điện trở phụ vào roto.

Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 11
-

Hình 2.6: Mở máy bằng cách mắc điện trở phụ vào roto.
Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ dây quấn vì đặc điểm của động cơ này là
có thể thêm điện trở vào cuộn dây roto. Khi điện trở roto thay đổi thì M=f(s) cũng thay
đổi. Điều chỉnh điện trở mạch roto thích hợp ta sẽ có được trạng thái mở máy lí tưởng.
Khi có điện trở phụ R
f
thì:
''2'2
1212
()()
MRf
f
U

I
RRRXX
=
++++
(1-7)
2'
2
''2'2
11212
3***()
2()()
f
MRf
f
pURR
M
fRRRXXπ
+
=
++++
(1-8)

Như vậy khi có điện trở phụ thì I
mRf
giảm và M
mRf
sẽ lớn.
Sau khi máy đã quay để giữ một momen điện từ nhất định trong quá trình mở
máy thì ta cần cắt dần điện trở phụ. Khi cắt dần các điện trở phụ sẽ làm thay đổi tốc độ
động cơ. Sau khi cắt hết các điện trở phụ thì tốc độ động cơ đạt đến điểm làm việc sau 3

cấp điện trở khởi động.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 12
-
Như vậy động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn có thể đạt được tốc độ mở máy
cao, dòng khởi động nhỏ nên được ứng dụng ở những nơi có yêu cầu mở máy khó khăn,
yêu cầu mở máy cao. Tuy nhiên nhược điểm của động cơ dây quấn là giá thành cao, cấu
tạo phức tạo, khó bảo quản…

2.1.2.6 Dùng thyristor.
IM
L3L2L1

Hình 2.7: Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp xoay chiều ba pha.

Nguồn điện qua bộ biến đổi được đưa đến để cấp cho động cơ. Bộ biến đổi gồm
sáu Thyristor mắc song song ngược. Nhờ bộ biến đổi này ta hạ thấp được điện áp trước
khi đưa đến khởi động động cơ sau đó tăng dần điện áp đến giá trị định mức của động cơ
(vì thế người ta gọi là bộ biến đổi xung áp xoay chiều). Dòng điện tỉ lệ với điện áp nên
khi giảm điện áp cấp cho động cơ thì dòng điện khởi động cũng giảm theo.
Có thể so sánh đặc tính khởi động bằng Thyristor với các phương pháp khởi động
khác thông qua các đặc tính khởi động:

Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 13
-

Hình 2.8: Các đường đặc tính với các phương pháp khởi động khác nhau.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 14

-
Phương pháp khởi động dùng Thyristor khắc phục được nhược điểm của các
phương pháp khác. Không những giảm được dòng khi khởi động, thêm vào đó quá trình
khởi động êm, không phát sinh tia lửa điện, có thể khởi động được công suất từ nhỏ đến
lớn, linh hoạt trong điều khiển, vận hành đơn giản, an toàn, độ tin cậy cao. Mặt khác một
số loại tải yêu cầu phải dừng mềm động cơ, tức là giảm dần dòng cắt vào động cơ như
thang máy, máy bơm Nếu dùng các phương pháp truyền thống thì khó có thể tích hợp
chức năng này vào trong khi đó việc điều khiển điện áp ra của Thyristor khá linh hoạt
nên hoàn toàn có thể giải quyết được yêu cầu này.
Từ các nhận xét trên ta thấy khởi động bằng Thyristor là ưu việt nhất. Một trong
những khâu quan trọng trong việc thiết kế bộ bộ khởi động theo phương pháp này là
thiết kế mạch điều khiển bộ biến đổi. Vài năm về trước người ta vẫn dùng mạch điều
khiển bằng điện tử tương tự. Mạch này tuy có nhiều ưu điểm nhưng có những nhược
điểm là cồng kềnh, khó cải tiến, khó tự động hóa, sáu van được điều khiển bởi sáu kênh
riêng biệt nên khi một kênh nào đó hỏng thì toàn bộ mạch cũng hỏng nên gây ra vấn đề
về độ tin cậy.
Trong vài năm lại đây, công nghệ số và công nghệ bán dẫn phát triển mạnh. Đặc
biệt là sự ra đời của các dòng vi xử lí với tốc độ tính toán rất nhanh cho phép thực hiện
được nhiều công việc trên một chip duy nhất nên các bộ điều khiển số cũng ra đời. Mạch
điều khiển số khắc phục được các nhược điểm của mạch tương tự như đơn giản, gọn
nhẹ, đặc biệt là khả năng tự động hóa cao,
với nhiều tính năng điều khiển, bảo vệ phong
phú cho các dải hạ thế, trung thế và cao thế (tới hàng chục KV) và với giá thành rất hợp
lý.
2.1.3 Bài toán năng lượng.
2.1.3.1 Giới thiệu chung.
Phần lớn các động cơ sử dụng trong công nghiệp là những động cơ không đồng
bộ ba pha làm việc với tốc độ không đổi. Chúng tiêu thụ phần lớn công suất điện trong xí
nghiệp. Vì vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng khi sử dụng những động cơ này trở lên quan
trọng.

Cùng một động cơ nhưng tùy theo tải mà hiệu suất động cơ cũng khác nhau. Khi
làm việc ở đầy tải hoặc gần đầy tải thì hiệu suất động cơ ba pha tương đối cao từ 85% -
95%. Tuy nhiên hiệu suất động cơ giảm mạnh khi tải nhỏ hơn 50% (non tải). Có thể thấy
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 15
-
rõ vấn đề này thông qua đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất động cơ với
tải làm việc theo hình 2.9.

Hình 2.9: Mối quan hệ hiệu suất động cơ với tải làm việc.
Trong thực tế có ít động cơ làm việc ở đầy tải hoặc phải làm việc với tải biến
thiên. Với những động cơ làm việc ở chế độ non tải này luôn tồn tại lượng dư dòng từ
hóa, gây tổn hao công suất và suy giảm hệ số công suất.

Hình 2.10: Mối quan hệ hệ số công suất động cơ với tải
Để dễ hình dung ta xét một động cơ không đồng bộ ba pha 20kW làm việc với
20% tải. Khi đó công suất thực tế ở đầu ra sẽ là:
20*20%4
kWkW
=

Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 16
-
Theo đường đặc tính hiệu suất theo tải, hiệu suất của động cơ khi làm việc ở 20% tải
khoảng 54%. Khi đó công suất cần cấp cho động cơ sẽ là:
4/54%7.4
kWkW
≈

Như vậy để có 4kW công suất ở đầu ra, động cơ cần lấy 7.4kW ở lưới. Có đến
46% năng lượng từ nguồn cấp là vô nghĩa. Các thành phần này bị suy hao vì các nguyên
nhân như phát nhiệt ở cuộn dây, do dòng từ hóa, do masat…



Hình 2.11: Mô hình tiêu thụ năng lượng điện của động cơ

2.1.3.2 Nguyên tắc tiết kiệm điện năng.
Khi đặt một điện áp vào dây quấn stator thì trong dây quấn stator có dòng điện I
1
.
Dòng điện này bao gồm hai thành phần là dòng từ hóa I
0
và dòng qua rotor I
2
tạo ra sức
từ động làm quay rotor:
102
III
=+

Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, moment tải giảm, dòng qua rotor giảm.
Nếu điện áp đặt lên stator không đổi thì dòng qua stator hay năng lượng cung cấp cũng
không đổi. Do đó khi dòng qua rotor giảm thì toàn bộ lượng giảm từ rotor sẽ biến thành
tổn hao do dòng từ hóa theo phương trình trên. Chính điều này là nguyên nhân dẫn đến
hiệu suất động cơ bị giảm. Để giảm thiểu tổn thất khi dòng I
2
suy giảm, rõ ràng từ
phương trình trên ta có thể giảm I

1
một cách tương ứng. Mặt khác khi I
1
lại tỉ lệ với điện
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 17
-
áp đặt vào stator nên để tăng hiệu suất động cơ ta có thể thay đổi điện áp đặt vào động cơ
tùy theo tải làm việc của động cơ.
Có thể hình dung nguyên lí của phương pháp này thông qua đường đặc tính thể
hiện trên hình 2.12.
s
moment
100%
80%
A
“A”
B
Moment khi điện
áp định mức
Moment khi giảm
điện áp
Moment đầy tải khi
điện áp định mức
Moment khi
non tải
s
định mức
s
đồng bộ

Hình 2.12: Đặc tính Moment theo độ trượt với các chế độ làm việc.

Giả sử khi động cơ làm việc ở chế độ đầy tải và với tốc độ định mức thì điểm làm
việc của động cơ là điểm A. Nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ trong khi tải
làm việc của động cơ giảm è tốc độ động cơ tăng, điểm làm việc sẽ chuyển sang điểm
B có moment của động cơ giảm. Mặt khác moment tỉ lệ với bình phương điện áp nên khi
giảm áp thì moment giảm theo. Giảm áp đến một giá trị thích hợp thì điểm làm việc của
động cơ sẽ chuyển sang điểm “A” có tốc độ bằng với tốc độ của động cơ khi đầy tải.
Giảm áp đặt vào động cơ đồng nghĩa với việc công suất cấp cho động cơ giảm và theo
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 18
-
đó dòng từ hóa giảm, hiệu suất của động cơ tăng trong khi tốc độ động cơ được giữ
không đổi. Việc giảm áp được thực hiện sao cho dòng từ hóa giảm xuống giá trị như khi
động cơ chạy ở chế độ không tải.
Như vậy việc tiết kiệm điện năng thực chất là việc tăng hiệu suất động cơ hay
chính là cải thiện hệ số công suất của động cơ khi động cơ chạy non tải. Có thể thấy ích
lợi của việc làm này thông qua hình 2.13.


Hình 2.13: Mô hình tiêu thụ điện của động cơ

Vẫn dùng động cơ 20kW như đã nói trong mục 2.1.3.1, để công suất trên trục
động cơ là 4kW, thay vì cấp công suất đầu vào là 7.4kW, bằng việc giảm áp đầu vào
động cơ sao cho dòng từ hóa giảm xuống bằng với dòng từ hóa của động cơ khi chạy
không tải. Lúc đó công suất cần cấp cho động cơ sẽ là 5.6kW và hiệu suất động cơ 71%,
năng lượng điện tiết kiệm được mỗi giờ là 7.4 - 5.6 = 1.8kW.

2.2 Điều áp xoay chiều ba pha.
2.2.1 Một số mạch thông dụng.
ü Sơ đồ đấu sao có trung tính
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 19
-

Hình 2.14: Sơ đồ đấu sao có trung tính.
ü Sơ đồ đấu sao không trung tính

Hình 2.15: Sơ đồ đấu sao không trung tính
ü Sơ đồ đấu tam giác