Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ điện mômen khởi động cao có công suất 90 kw

Bộ Công thơng
Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt nam hungari
************







Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài :
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
ĐộNG CƠ ĐIệN MÔMEN KHởI ĐộNG CAO
Có CÔNG SUấT 90 kW
Mã số: 108.11RD/HĐ-KHCN

Chủ nhiệm đề tài: KS. Trần Quang Tâm












8972

Hà Nội 12/2011
Bộ Công thơng
Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt nam hungari
************






Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài :
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
ĐộNG CƠ ĐIệN MÔMEN KHởI ĐộNG CAO
Có CÔNG SUấT 90 kW
Mã số: 108.11RD/HĐ-KHCN
Thực hiện theo Hợp đồng Đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, số 108.11RD/HĐ-KHCN ngày 23
tháng 03 năm 2011 giữa Bộ Công Thơng và Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt Nam-Hungari
Chủ nhiệm đề tài: KS.Trần Quang Tâm
Các thành viên tham gia:
1, KS. Trần Quang Tâm
2, KS. Hà Đình Minh
3, KS. Lê Vinh Hoàn
4, KS. Hoàng Khải Hoàn

5, KS. Lê Sỹ Phú
6, KS.Vũ Văn Thông
7, KS. Phạm Thái Sơn
8, KS. Nguyễn Văn Hiếu










Hà Nội 12/2011
Cơ quan chủ trì






Hà Đình Minh
Chủ nhiệm Đề tài

KS. Trần
Q
uan
g
Tâm

1
Mục lục
Nội dung Trang
Chú thích một số ký hiệu sử dụng trong báo cáo 4
TÓM TẮT NHIỆM VỤ 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7
1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ 7
1.1 Đại cương về động cơ điện không đồng bộ 7
1.2 Tiêu chuẩn quy định tính năng khởi động của động cơ không đồng bộ 8
2. Đặc tính khởi động của động cơ không đồ
ng bộ 11
2.1 Quá trình khởi động của động cơ không đồng bộ 11
2.2 Các phương pháp khởi động cho động cơ không đồng bộ 12
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 19
1. Sự cần thiết chế tạo động cơ mô men khởi động cao và tính chọn công suất máy phát
cho hệ máy phát-động cơ 19
1.1 Sự cần thiết của động cơ mô men khởi động cao 19
1.2 Tính toán lựa chọn công suất máy phát cho hệ máy phát-động cơ
19
2. Các phương pháp nâng cao mô men khởi động động cơ không đồng bộ 20
2.1 Các yếu tố quyết định đặc tính khởi động của động cơ 20
2.2 Các phương pháp nâng cao mô men khởi động của động cơ không đồng bộ 23
3. Tính toán sơ bộ động cơ không đồng bộ 28
3.1 Số liệu đầu vào thiết kế 28

3.2 Chọn tham số thiết kế 28
3.3 Trình tự tính toán thiết kế động cơ mô men khởi độ
ng cao trên phần mềm SPEED 39
4. Công nghệ sản xuất động cơ mô men khởi động cao 41
4.1 Công nghệ chế tạo phần điện từ của động cơ điện 41
4.2 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí 43
4.3 Công nghệ lắp ráp 45
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 47
1. Các chỉ tiêu chất lượng chủ yếu động cơ 47
2. Hướng dẫn vận hành và bảo dưỡ
ng động cơ 48
2.1 Hướng dẫn vận hành 48
2.2 Bảo dưỡng và bảo quản 48
3, Những khó khăn khi thực hiện hiện đề tài 48
4, Hiệu quả thực hiện đề tài 49
Phụ lục I: Bảng so sánh chất lượng chủ yếu của động cơ mô men khởi động cao 52
Phụ luc II: Kết quả thí nghiệm động cơ mô men khởi động cao 53
Phụ lục III: Kết quả tính toán độ
ng cơ mô men khởi động cao trên phần mềm 54
thiết kế động cơ Speed 54
Phụ lục IV: Một số hình ảnh chế tạo động cơ mô men khởi động cao công suất 63
90 kW-1000 r/min tại Công ty VIHEM 63
Phụ lục V: Một số hình ảnh động cơ mô men khởi động cao 90 kW-1000 r/min gắn trên máy búa
rung đóng cọc tại đơn vị thi công 65
Phụ lục VI: Quyết định giao, Hợp đồng, Thuyết minh, Biên bản nghiệm thu cấp c
ơ sở, Bài phản
biện của hội đồng cấp cơ sở 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

2

MỞ ĐẦU
Hiện nay, trong công nghiệp cũng như đời sống hằng ngày, động cơ điện có
mô men khởi động cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong máy cán thép,
máy đóng cọc, máy nghiền đá, cầu trục, máy tời vật liệu xây dựng, máy nén khí
kiểu piston, v.v
Trong lĩnh vực xây dựng, động cơ mô men khởi động cao được sử dụng
trong máy tời, máy búa rung. Máy búa rung đóng cọc được sử dụng ở các công
trình thi công mà phần lớn chưa có đủ cơ sở hạ tầng về cấp điện, nên chủ yếu máy
búa rung đóng cọc được cấp nguồn từ máy phát điện. Do vậy, vấn đề giảm dòng
điện khởi động nhưng vẫn đảm bảo mô men khởi động lớn hơn hoặc bằng mô men
cản ban đầu là vấn đề đặc biệt có ý nghĩa, vì giảm dòng đi
ện khởi động sẽ giảm
được công suất toàn phần của máy phát và dẫn tới giảm chi phí đầu tư, vận hành
trên công trường.
Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt
Nam-Hungari đã chủ động khảo sát tính năng động cơ mô men cao do Nhật bản
sản xuất và tiến hành nghiên cứu thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo độ
ng cơ
mô men cao dựa trên các thiết bị sẵn có của Công ty nhằm giảm chi phí sản xuất
xuống mức tối thiểu.
Năm 2010, Công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam-Hungari đã đề xuất
đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo động cơ điện mô men khởi động cao có
công suất 90kW”, đề tài đã được Bộ Công Thương phê duyệt qua hợp đồng số
108.11RD/HĐ-KHCN, ký ngày 23 tháng 03 năm 2011
Căn cứ theo hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, Công ty cổ phần chế tạo máy điện
Việt Nam-Hungari phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:


3

Mức chất lượng
Mẫu tương tự
TT
Tên sản phẩm và chỉ tiêu
chất lượng chủ yếu
Đơn
vị đo
Kết quả
đạt được
Trong
nước
Thế giới
Số lượng
sản phẩm
tạo ra
(bộ)
1.
Động cơ điện mô men khởi
động cao có công suất 90kW;
tốc độ 1000 r/min
3K355-6-MC IPNNPY 02
- Điện áp định mức V 380/660 200
- Dòng điện định mức A 190/110 358
- Tần số nguồn điện Hz 50 50

- Mô men khởi động/Mô men
định mức
Lần 3,0 2,85

- Dòng điện khởi động/Dòng
điện định mức
Lần
≤6,5
6,0
- Cấp cách điện F F
- Chế độ làm việc S
2
-60min S
2
-60min
Tài liệu: Hoàn thành đầy đủ các thiết kế: tính toán thiết kế điện từ, các bản vẽ thiết
kế kết cấu, các chỉ dẫn công nghệ gia công chi tiết, chỉ dẫn công nghệ điện, kết quả
thử nghiệm, so sánh chất lượng sản phẩm đạt được với sản phẩm mẫu của Nhật
Bản và đối chiếu với tiêu chuẩn Quốc gia củ
a hiệp hội các nhà sản xuất máy điện
Mỹ (National Electrical Manufacturers Association) viết tắt là NEMA, báo cáo
định kỳ, báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài.
Trong bản báo cáo tổng kết này sẽ lần lượt trình bày chi tiết các nội dung đã
thực hiện trong đề tài.

4
Chú thích một số ký hiệu sử dụng trong báo cáo
P’(kVA) Công suất tính toán của động cơ
x
1
(Ω)

Điện kháng tản dây quấn Stato
P’

kgt
(kVA)

Công suất khởi động gián tiếp
của động cơ
x’
2
(Ω)
Điện kháng tản dây quấn rô to
quy đổi về Stato
P’
k
(kVA)

Công suất khởi động của động cơ
x
n
(Ω)
Điện kháng ngắn mạch
P
đm
(kW)

Công suất định mức của động cơ x
*
n
(%) Điện kháng ngắn mạch tương
đối
M
đm

(N.m)

Mô men định mức
r
1
(Ω)

Điện trở dây quấn stato
M
đt
(N.m) Mô men điện từ của động cơ
r’
2
(Ω)

Điện trở dây quấn rôto quy đổi
về stato
m
k
(lần) Bội số mô men khởi động so với
mô men định mức
k Hệ số suy giảm điện áp
I
k
(A) Dòng điện khởi động động cơ k
T
Hệ số biến áp của biến áp tự
ngẫu
I’
kf

(A) Dòng điện khởi động pha I
nh
(A) Dòng điện ngắn hạn
i
k
(lần) Bội số dòng điện khởi động động
cơ so với dòng điện định mức
I
dh
(A) Dòng điện dài hạn
I
µ
(A)

Dòng điện từ hóa của động cơ t
nh
(s) Thời gian chạy ngắn hạn
I
0
(A) Dòng điện không tải T
ck
(s) Chu kỳ làm việc ngắn hạn
U
L
(V) Điện áp lưới J
nhS2
(A/mm
2
) Mật độ dòng điện ngắn hạn theo
chế độ làm việc S

2
-60min
D
n
(mm) Đường kính ngoài Stato U
pha-vỏ
Điện áp thử cách điện pha-vỏ
D(mm) Đường kính trong Stato R
pha-vỏ
Điện trở cách điện pha-vỏ
k
D
Tỷ số giữa đường kính trong và
đường kính ngoài
R
t1
Điện trở thuần dây quấn stato ở
nhiệt độ t
1

D
tR

Đường kính trong rô to R
t2
Điện trở thuần dây quấn stato
sau khi thử phát nhiệt, nhiệt độ
t
2
ω(rad/s)

Tốc độ góc trên đầu trục động cơ
∆t
Độ tăng nhiệt dây quấn stato
ω
1
(rad/s)
Tốc độ góc của từ trường stato S
2
-60 min Chế độ làm việc ngắn hạn S
2
,
thời gian mang điện là 60 phút
C
1
Hệ số Carter NEMA tiêu chuẩn Quốc gia của hiệp
hội các nhà sản xuất máy điện
Mỹ (National Electrical
Manufacturers Association)





5
TÓM TẮT NHIỆM VỤ
1. Phương pháp thực hiện nhiệm vụ
- Khảo sát có chọn lọc và phân tích các loại động cơ điện mô men cao đang sử
dụng trong thiết bị nâng hạ, cầu trục, máy búa rung đóng cọc
- Nghiên cứu, thiết kế sản phẩm dựa trên:kết quả phân tích thực nghiệm, số liệu
khảo sát sản phẩm mẫu, yêu cầu của khách hàng và nghiên cứu các giải pháp công

nghệ, v
ật liệu chế tạo động cơ
- Chế tạo thử nghiệm, thí nghiệm, đánh giá chất lượng của sản phẩm chế tạo được
và so sánh với sản phẩm mẫu cùng loại.
- Hoàn thiện thiết kế, hoàn thiện sản phẩm để sản phẩm tạo ra có chất lượng tương
đương hoặc tốt hơn sản phẩm mẫu.
Mục tiêu của đề tài: Chế
tạo thành công động cơ điện 3 pha rôto lồng sóc mômen
khởi động cao công suất 90kW-1000r/min, có mô men khởi động bằng 3 lần mô
men định mức, dòng điện khởi động nhỏ hơn 6,5 lần dòng điện định mức, chế độ
làm việc của động cơ là S
2
- 60min
2. Kết quả đạt được
-Bộ bản vẽ thiết kế, bộ bản vẽ quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm của động cơ
điện mô men khởi động cao có công suất 90kW, tốc độ 1000 r/min, chế độ S
2
-
60min
Đã chế tạo thành công động cơ điện mô men cao có công suất 90kW, tốc độ 1000
r/min(số lượng 02 sản phẩm), có các tham số chính như bảng sau:

6

TT Tên tham số
Đơn vị
đo
Thông số
Kiểu động cơ 3K355-6-MC
1 Công suất định mức kW 90

2 Điện áp định mức V 380/660
3 Dòng điện định mức A 190/110
4 Tần số nguồn điện Hz 50
5 Tốc độ đầu trục r/min 960
6
Tỷ số mô men khởi
động
Lần 3,2
7
Tỷ số dòng điện khởi
động
Lần 6,5
8 Chế độ làm việc S
2
-60min


7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ
1.1 Đại cương về động cơ điện không đồng bộ
Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều có kết cấu đơn
giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành hạ, nên được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống dân sinh
Trong nông nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng trong máy
xay xát gạo, máy bơm, máy tuốt lúa, máy nghiền ngô, nghiền sắn, v.v,
Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ được sử dụng chủ yếu, nó
chiếm tới trên 90% trên tổng số các loại động cơ điện được sử dụng, động cơ điện
được ứng dụng cho máy cán thép, máy tời, cẩu tháp, cẩu trụ
c, máy nén khí, máy

đập đá, máy đầm rung, máy đóng cọc, v.v,
Phân loại động cơ điện không đồng bộ: động cơ không đồng bộ chủ yếu
được phân loại thành động cơ không đồng bộ 1 pha và 3 pha, động cơ không đồng
bộ rô to lồng sóc(hay còn gọi là rô to ngắn mạch) và động cơ rô to dây quấn, ngoài
ra còn có một số loại động cơ không đồng bộ đặc biệt khác nữa.
Động cơ điệ
n không đồng bộ có những nhược điểm nhất định như: cosϕ
thấp, đặc tính điều chỉnh tốc độ khó khăn, mô men khởi động thường không cao.
Nên tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta lựa chọn loại động cơ điện có đặc tính
cơ phù hợp
Trước kia, do công nghệ điện tử chưa phát triển nên trong các ứng dụng điều
tốc, ngườ
i ta thường sử dụng động cơ điện một chiều với kết cấu phức tạp nhưng
điều tốc dễ dàng nhưng ngày nay động cơ một chiều đã dần bị thay thế bởi hệ động
cơ không đồng bộ lồng sóc và bộ biến tần, trong những ứng dụng cần mô men
khởi động cao, chế độ khởi động dưới t
ải, nặng nề như: cán thép, động cơ nghiền
bi trong xi măng, v.v, , người ta có thể dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp
hoặc đơn giản hơn là động cơ không đồng bộ rô to dây quấn với bộ khởi động
bằng điện trở phụ đưa vào mạch điện rô to nhằm giảm dòng điện khởi động và

8
tăng mô men khởi động. Tuy nhiên, phương pháp chọn động cơ không đồng bộ rô
to dây quấn với bộ khởi động bằng điện trở vẫn chưa phải ưu việt do giá thành
động cơ không đồng bộ rô to dây quấn vẫn khá cao(gấp khoảng 1,5 lần động cơ
kiểu lồng sóc) cộng thêm chi phí của bộ khởi động bằng điện trở. Trong thiết kê, từ
lâu người ta đ
ã nghĩ đến việc cải tiến đặc tính khởi động của động cơ không đồng
bộ rô to lồng sóc với mục tiêu nâng cao mô men khởi động và giảm dòng điện
khởi động bằng cách tăng điện trở rô to, tăng hiệu ứng mặt ngoài thanh dẫn rô to

dựa trên các dạng rãnh rô to có hình dạng đặc biệt.
Ngày nay trong thiết kế người ta đã phân loại động cơ không đồng bộ rô to
lồ
ng sóc theo các tiêu chí về hiệu suất, chế độ làm việc và đặc tính khởi động, đặc
tính cực đại, v.v, để việc lựa chọn động cơ theo ứng dụng được thuận lợi và
chính xác.
Ở Việt Nam, hiện nay có tiêu chuẩn TCVN 1987-94 và IEC 60034-1, tiêu
chuẩn TCVN 7540, quy định về hiệu suất, cosϕ, phương pháp thử nghiệm điện,
chế độ làm việc, nhưng chưa có tiêu chuẩn quy định chi tiết phân loại đặc tính kh
ởi
động, đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Trên thế giới, mỗi vùng lãnh thổ đều có những tiêu chuẩn riêng quy định chi
tiết phân loại thiết kế động cơ không đồng bộ theo hiệu suất, phân loại theo đặc
tính khởi động, chế độ làm việc. Để cụ thể hóa, ở đây ta lấy tiêu chuẩn Quốc gia
của hiệp hội các nhà sản xuất máy điệ
n Mỹ (National Electrical Manufacturers
Association) viết tắt là NEMA làm căn cứ thiết kế, chế tạo động cơ mô-men cao.
Tiêu chuẩn NEMA phiên bản MG10 ban hành năm 2001 hướng dẫn lựa chọn tính
năng động cơ không đồng bộ, rô to lồng sóc nhiều pha, công suất trung bình. Sau
đây ta nghiên cứu nội dung của tiêu chuẩn này quy định về mô men khởi động của
động cơ không đồng bộ
1.2 Tiêu chuẩn quy định tính năng khởi
động của động cơ không đồng bộ
1.2.1 Theo tiêu chuẩn NEMA, động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc được chia
làm 4 loại tùy theo thiết kế(Design): A, B, C và D

9
Bảng 1.1
Đặc tính theo thiết
kế

Bội số mô
men khởi
động
đm
kđ
M
M

(%)
Bội số mô
men cực
tiểu
đm
M
M
min

(%)
Bội số mô
men cực đại
đm
M
M
max

(%)
Bội số dòng
điện khởi
động
đm

kđ
I
I

(%)
Hệ số
trượt
s(%)
Mức hiệu suất
Thiết kế A
70÷275* 65÷190* 175÷300*
Không quy
định
0,5÷5
Trung bình hoặc
cao
Thiết kế B
70÷275* 65÷190* 175÷300* 600÷800 0,5÷5
Trung bình hoặc
cao
Thiết kế C
200÷285* 140÷195* 200÷225* 600÷800 1÷5
Trung bình
Thiết kế D 275 Không
quy định
275
600÷800 ≥ 5
Trung bình
Theo IEC
IEC thiết kế H

200÷285* 140÷195 190÷225* 800÷1000 1÷5
Trung bình
IEC thiết kế N
75÷190* 60÷140 160÷200* 800÷1000 0,5÷3
Trung bình hoặc
cao
(*Giá trị lớn cho động cơ công suất nhỏ)
1.2.2, Lựa chọn động cơ:
Việc lựa chọn động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào đặc tính tải của máy
công tác, từ đó xác định đặc tính làm việc của động cơ cần lựa chọn(Bảng 1.1)
- Thiết kế A và B(theo NEMA) hay thiết kế N( theo IEC) là loại động cơ có mô
men khởi động bình thường, dòng điện khởi động cao, hiệu suất ở mức trung bình
hoặc cao, sử
dụng cho các loại máy yêu cầu mô men khởi động thấp, mô men tăng
tỷ lệ với sự tăng tốc cho đến khi động cơ đạt tốc độ và mô men định mức, như tải
quạt gió, bơm ly tâm, và khí nén
- Thiết kế C(theo NEMA) hay thiết kế H(theo IEC) là loại động cơ có mô men
khởi động cao, dòng điện khởi động bình thường hoặc cao, sử dụng cho máy nén
khí kiểu piston và băng tải, máy nghiền, máy khuấy, yêu cầ
u khởi động dưới tải.

10
- Thiết kế D(theo NEMA) là loại động cơ được thiết kế làm việc với các tải dạng
xung có bánh đà hoặc không có bánh đà, tần xuất khởi động lớn như máy: đột dập,
máy bơm dầu, máy ép, máy vắt, tời, thang máy, cẩu trục, máy kéo
Đặc tính mô men của động cơ không đồng bộ theo thiết kế A,B,C,D(NEMA) hay
N và H theo IEC (Hình 1.1)

*Nhận xét:
- Thiết kế A và B(NEMA) hay N (theo IEC) là dạng động cơ có mô men khởi

động thường(thấp hơn so với thiết kế C và D), hệ số trượt nhỏ, hiệu suất động cơ ở
mức trung bình(động cơ thông dụng EFF2) hoặc mức cao(động cơ hiệu suất cao
EFF1)
- Thiết kế C(NEMA) hay H(theo IEC) là dạng động cơ đặc biệt để nâng mô men
khởi động, mô men khởi động của động c
ơ thiết kế C lớn hơn động cơ thiết kế A

11
và B nhưng nhỏ hơn D, động cơ thiết kế C có hệ số trượt không quá cao (1%≤ s ≤
5%). Hiệu suất của động cơ thiết kế C cao hơn thiết kế D và nhỏ hơn so với A và B
- Thiết kế D(NEMA) có tỷ số mô men khởi động cao nhất nhưng thiết kế D cũng
có hệ số trượt lớn nhất (s ≥ 5%), do vậy động cơ thiết kế D có hiệu suấ
t thấp nhất,
nên chỉ những ứng dụng khởi động nặng nề, tần xuất khởi động lớn mới lựa chọn
động cơ kiểu này.
2. Đặc tính khởi động của động cơ không đồng bộ
2.1 Quá trình khởi động của động cơ không đồng bộ
Trong quá trình khởi động động cơ điện, mô men khởi động là đặc tính chủ
yếu nhấ
t trong những đặc tính khởi động của động cơ điện. Muốn cho máy quay
được thì mô men khởi động của động cơ điện phải lớn hơn mô men tải tĩnh và mô
men ma sát tĩnh. Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về mô men
như sau:
dt
d
JMM
cđt
ω
=− (1.1)
4

2
GxD
J =

Ttrong đó: M
đt
: mô men điện từ của động cơ,
M
c
: mô men cản,
J: mô men quán tính
G(kG): Trọng lượng phần quay
D(m): đường kính phần quay
ω(rad/s): tốc độ góc của rôto
Khi đã biết đặc tính cơ của động cơ điện M
đt
= f
1
(n) và của tải M
c
= f
2
(n) thì có thể
từ công thức (1.1) tìm ra quan hệ giữa tốc độ và thời gian n = f(t) trong quá trình
khởi động. Cũng từ biểu thức trên ta thấy muốn đảm bảo tăng tốc thuận lợi, trong
quá trình khởi động phải giữ
0>
dt
d
ω

, nghĩa là M
đt
> M
c
. Với một quán tính như
nhau,

12
M
đt
-M
c
càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh. Ngược lại những máy có quán tính
lớn thì thời gian khởi động lâu. Đối với trường hợp có yêu cầu khởi động nhiều lần
thì thời gian khởi động ảnh hưởng nhiều đến năng suất lao động.
Khi bắt đầu khởi động thì rôto đang đứng yên, hệ số trượt s=1 nên trị số dòng điện
khởi động có thể tính được theo mạch
điện thay thế:
2
211
2
211
1
)'()'( xCxrCr
U
I
k
+++
=
(1.2)

Trên thực tế, do mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên
dòng điện khởi động còn lớn hơn so với trị số tính theo công thức (1.2). Ở điện áp
định mức, thường dòng điện khởi động bằng 4 đến 8 lần dòng điện định mức.
Dòng điện khởi động quá lớn không những làm cho máy nóng mà còn gây sụt áp
lớn, nhất là đối với l
ưới điện công suất hạn chế
2.2 Các phương pháp khởi động cho động cơ không đồng bộ
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường
phải khởi động và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình trạng
của lưới điện mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điệ
n cũng khác nhau. Có
khi yêu cầu mô men khởi động lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động và có
khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng khởi
động thích ứng.
Trong nhiều trường hợp, do phương pháp khởi động hay do chọn động cơ điện có
tính năng khởi động không thích đáng nên thường hỏng máy.
Nói chung khi khởi động một độ
ng cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau:
1. Phải có mô men khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải;
2. Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt;
3. Phương pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn;
4. Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càng tốt.
Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn vớ
i nhau như khi đòi hỏi dòng điện khởi
động nhỏ thì thường làm cho mô men khởi động giảm theo hoặc cần thiết bị đắt

13
tiền. Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp khởi
động thích hợp.
2.2.1 Khởi động trực tiếp động cơ điện rô to lồng sóc:

Đây là phương pháp khởi động đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động
cơ điện vào lưới điện(hình H1.2). Nhưng lúc khởi động trực tiếp, dòng
điện khởi
động tương đối lớn(i
k
= 6÷8 lần). Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian
khởi động quá dài thì có thể làm cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới
điện. Vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng cho động cơ công suất nhỏ

2.2.2 Khởi động động cơ không đồng bộ bằng cách hạ điện áp khởi động
Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện khởi động nhưng đồng
thời mô men khởi động cũng giảm xuống, do đó đối với những tải yêu cầu có mô
men khởi động lớn thì phải tính toán kỹ hệ số suy giảm mô men theo sự suy giảm
điện áp. Có những cách h
ạ điện áp sau:
a, Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato:
Khi khởi động trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng. Sau khi
khởi động xong bằng cách đóng cầu dao D
2
(hình H1.3) thì điện kháng này bị nối
ngắn mạch. Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện khởi
động cần thiết. Do có điện áp giáng trên điện kháng nên điện áp khởi động trên

14
đầu cực động cơ điện U’
k
sẽ nhỏ hơn điện áp lưới U
1
(hình H1.3). Gọi dòng điện
khởi động và mô men khởi động khi khởi động trực tiếp là I

k
và M
k
. Sau khi thêm
điện kháng vào, dòng điện khởi động là I’
k
= kI
k
trong đó k<1. Nếu cho rằng khi hạ
điện áp khởi động, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì dòng điện khởi
động nhỏ đi, điện áp đầu cực động cơ điện sẽ bằng U
k
= kU
1
. Vì mô men khởi
động tỷ lệ với bình phương của điện áp nên lúc đó mô men khởi động bằng M’
k
=
k
2
M
k
.
Ví dụ nối điện kháng vào ứng với k = 0,6, U
k
=0,6U
1
, thì I
’
k

= 0,6I
k
và
M’
k
= 0,36M
k
, nghĩa là chỉ bằng 0,36 lần mô men khởi động lúc khởi động trực
tiếp với điện áp U
1
. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, nhưng
nhược điểm là khi giảm dòng điện khởi động thì mô men khởi động giảm xuống
bình phương lần.

b, Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp khởi động:
Sơ đồ lúc khởi động như ở hình H1.4, trong đó T là biến áp tự ngẫu, bên cao
áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện. Sau khi khởi động xong thì
cắt T ra (bằng cách đóng cầu dao D
2
vào và mở D
3
ra). Gọi tỷ số biến đổi điện áp
của biến áp tự ngẫu là k
T
(k
T
< 1) thì U
k
= k
T

U
1
. Do đó dòng điện khởi động và mô
men khởi động của động cơ điện sẽ là: I’
k
= k
T
I
k
và M’
k
= k
2
T
M
k
. Gọi dòng điện lấy

15
từ lưới vào là I
1
(dòng điện sơ cấp của biến áp tự ngẫu) thì dòng điện đó bằng:
kT
k
T
IkIkI
2'
1
== .
So với phương pháp trên ta thấy, khi chọn k

T
= 0,6 thì mô men khởi động vẫn là
M’
k
= 0,36M
k
nhưng dòng điện khởi động lấy từ lưới vào nhỏ hơn nhiều:
I
1
= I’
k
= k
2
T
I
k
= 0,36I
k
.
Nói cách khác, với cùng một dòng điện khởi động lấy từ lưới vào thì phương pháp
khởi động bằng biến áp tự ngẫu có mô men khởi động lớn hơn so với khởi động
bằng cuộn kháng. Đó là ưu điểm của phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ thấp
điện áp khởi động.

c, Khởi động bằng phương pháp Y -
∆
:
Phương pháp khởi động Y - ∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình
thường đấu tam giác. Khi khởi động ta đổi thành Y, như vậy điện áp đưa vào hai
đầu mỗi pha chỉ còn

3/
1
U .
Sau khi máy đã chạy rồi, đổi lại thành đấu ∆. Sơ đồ cách đấu dây như ở hình
H1.5. Khi khởi động thì đóng cầu dao D
1
, còn cầu dao D
2
thì đóng về phía dưới,
như vậy máy đấu Y. Khi máy đã chạy rồi thì đóng cầu dao D
2
về phía trên, máy

16
đấu theo ∆. Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn đấu Y, điện áp pha trên dây
quấn là:
1
3
1
UU
kf
=
. Ta có:
kkf
II
3
1
'
= và
kk

MM
3
1
'
=
Do khi đấu Y để khởi động thì dòng điện pha bằng dòng điện dây mà khi
khởi động trực tiếp thì máy đấu ∆ (khi ấy U
kf
= U
1
và
kfk
II 3= cho nên khi khởi
động đấu Y thì dòng điện bằng
kkfkf
IIII
3
1
3
1
'
1
=== , nghĩa là dòng điện và mô
men khởi động đều bằng
3
1
dòng điện và mô men khi khởi động trực tiếp. Trên
thực tế trường hợp này tương tự như dùng một biết áp tự ngẫu để khởi động mà tỷ
số biến đổi điện áp
3

1
=
T
k

Trong các phương pháp hạ điện áp khởi động nói trên, phương pháp khởi
động Y - ∆ tương đối đơn giản nên được dùng rộng rãi đối với những động cơ điện
khi làm việc đấu tam giác.
2.2.3 Khởi động động cơ không đồng bộ bằng cách thêm điện trở phụ vào rôto

17
Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ rô to dây quấn, vì
dây quấn rô to được nối điện ra ngoài qua vành trượt. Khi khởi động ta nối thêm
điện trở phụ vào mạch điện rô to làm tăng mô men khởi động, khi điều chỉnh điện
trở phụ thích hợp thì mô men khởi động có thể đạt tới giá trị tối đa, với dòng điện
khởi động nhỏ
do điện trở mạch rô to tăng. Nhưng phương pháp này có nhược
điểm là chế tạo rô to dây quấn phức tạp hơn rô to lồng sóc nên giá thành sản phẩm
đắt hơn, bảo dưỡng, vận hành tốn kém hơn
Kết luận: Trong các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ở trên,
phương pháp thêm điện trở phụ vào mạch điện rô to là phương pháp khởi động tối
ư
u nhất về mặt kỹ thuật vì có mô men khởi động cao, dòng điện khởi động thấp
nhưng lại là phương pháp tốn kém nhất vì vừa phải đầu tư động cơ rô to dây quấn
có giá thành cao, vừa phải đầu tư bộ điện trở phụ(thường là điện trở gang hoặc
điện trở muối) và bộ điều chỉnh điện trở ph
ụ.
Phương pháp khởi động bằng điện kháng có giá thành thấp hơn so với dùng
điện trở phụ, nhưng mô men khởi động giảm tỷ lệ với bình phương điện áp giảm,
trong khi dòng điện khởi động giảm tỷ lệ bậc nhất với tỷ lệ giảm điện áp vào stato

Với cùng tỷ lệ giảm điện áp thì phương pháp khởi động b
ằng biến áp tự
ngẫu có dòng điện khởi động giảm nhiều hơn so với khởi động bằng điện kháng(
dòng điện khởi động giảm tỷ lệ với bình phương tỷ lệ giảm điện áp đặt vào stato)
trong khi mô men khởi động vẫn giảm tỷ lệ với bình phương điện áp giảm. Nhưng
phương pháp này có giá thành cao hơn phương pháp khởi độ
ng bằng điện kháng.
Phương pháp khởi động bằng cách đổi nối sao sang tam giác có ưu điểm là
đơn giản, giá thành thấp nhưng nhược điểm là mô men khởi động chỉ còn 1/3 so
với khởi động trực tiếp nên thích hợp với những ứng dụng yêu cầu mô men khởi
động thấp như tải quạt gió hoặc khởi động không tải.
Đối với những tải có yêu cầu khởi
động dưới tải, nếu áp dụng phương pháp
khởi động này thì động cơ phải có mô men khởi động trực tiếp gấp khoảng 3 lần
mô men định mức, như vậy phải chọn động cơ thiết kế C theo tiêu chuẩn NEMA,

18
hoặc thiết kế H theo IEC thì mới đủ điều kiện khởi động dưới tải khi đổi nối sao
tam giác.
Nói tóm lại, để vừa giảm được dòng điện khởi động vừa giữ được mô men
khởi động, đáp ứng được yêu cầu khởi động dưới tải thì ta dùng phương án khởi
động đổi nối sao-tam giác kết hợp với các phương pháp thiết kế nhằm nâng cao mô
men kh
ởi động của động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. Đây cũng là mục tiêu
chính của đề tài này

19
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
1. Sự cần thiết chế tạo động cơ mô men khởi động cao và tính chọn công suất
máy phát cho hệ máy phát-động cơ

1.1 Sự cần thiết của động cơ mô men khởi động cao
Hiện nay, trong công nghiệp cũng như đời sống hằng ngày, động cơ điện có
mô men khởi động cao được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong máy cán thép,
máy đóng cọc, máy nghiền đá, cầu tr
ục, máy tời vật liệu xây dựng, máy nén khí
kiểu piston, v.v
Trong lĩnh vực xây dựng, động cơ mô men khởi động cao được sử dụng
trong máy tời, máy búa rung. Máy búa rung đóng cọc được sử dụng cơ động ở các
công trình thi công mà phần lớn chưa có đủ cơ sở hạ tầng về cấp điện, nên chủ yếu
máy búa rung đóng cọc được cấp nguồn từ máy phát điện. Do vậy, v
ấn đề giảm
dòng điện khởi động nhưng vẫn đảm bảo điều kiện khởi động dưới tải là vấn đề
cần thiết, vì giảm dòng điện khởi động sẽ giảm được công suất toàn phần của máy
phát và dẫn tới giảm chi phí đầu tư, vận hành trên công trường.
Trong đề tài này ta lấy máy búa rung đóng cọc như một ví dụ điể
n hình
trong việc nghiên cứu thiết kế động cơ mô men khởi động cao, do nhu cầu động cơ
mô men khởi động cao lắp cho các máy búa rung đóng cọc trên thị trường khá cao,
đồng hành cùng sự phát triển của ngành xây dụng trong xu thế đô thị hóa. Dưới
đây ta xét kỹ hơn về tính toán lựa chọn công suất máy phát cho hệ máy phát-máy
búa rung đóng cọc
1.2 Tính toán lựa chọn công suất máy phát cho hệ máy phát-động cơ
Chọn động cơ mô men khởi độ
ng cao thiết kế C(theo NEMA), bội số dòng
điện khởi động là 6÷8 lần, theo đề bài đặt ra của đề tài(xem ở chương 3) là 6,5 lần
+Nếu khởi động trực tiếp thì công suất toàn phần của máy phát lúc khởi động là
P’
k
: )('*5,6)**3(*5,6)(' kVAPIUkVAP
đmđmđmk

== ; (2.1)
Vậy, khi khởi động trực tiếp thì công suất toàn phần máy phát phải gấp 6,5 lần
công suất động cơ

20
+Nếu dùng phương pháp đổi nối Y-∆ thì dòng điện khởi động bằng 1/3 dòng điện
khởi động trực tiếp, do vậy công suất toàn phần của máy phát lúc này là P’
kgt
chỉ
bằng 2,17 lần công suất tính toán của động cơ
)('*17,23/1*)**3(*5,6)(' kVAPIUkVAP
đmđmđmkgt
== (2.2)
Áp dụng cho trường hợp đang nghiên cứu trong đề tài này là động cơ mô men khởi
động cao công suất P
đm
= 90 kW; đấu ∆: U
đm
= 380V; I
đm
= 190A; i
k
=6,5; m
k
=
3,0; ký hiệu: 3K355-6-MC; chế độ làm việc S
2
– 60 min, ta có công suất tối thiểu
của máy phát là:
)(951,270)3/1*190*380*3(*5,6)(' kVAkVAP

kgt
== (2.3)
trên thực tế người ta đã chọn máy phát có công suất tối thiểu từ 250 kVA đến
380kVA để chạy động cơ mô men khởi động cao máy búa rung đóng cọc công
suất 90kW, tùy theo phụ tải kèm theo máy búa rung đóng cọc như chiếu sáng,
quạt, v.v,
2. Các phương pháp nâng cao mô men khởi động động cơ không đồng bộ
2.1 Các yếu tố quyết định đặc tính khởi động của động cơ
Hai tham số chính quyết định đặ
c tính khởi động của động cơ là mô men
khởi động và dòng điện khởi động. Dưới đây ta xét hai tham số này:
Mô men điện từ do từ trường quay và dòng điện rô to tác dụng lẫn nhau mà sinh
ra, từ trường đó quay với tốc độ đồng bộ n
1
, do đó quan hệ giữa công suất điện từ
P
đt
và mô men điện từ M như sau:
ωω
cođt
đt
PP
M ≈=
1
(2.4)
Trong đó:
P
cơ
: là công suất cơ trên đầu trục động cơ

60
**2
1
1
n
π
ω
= là tốc độ góc đồng bộ của từ trường quay

60
**2
n
π
ω
= là tốc độ góc trên đầu trục động cơ
Từ (2.4) rút ra được:

21
đtđtđtco
PsP
n
n
PP *)1(
11
−===
ω
ω
(2.5)
Và tổn hao đồng trên rô to bằng:
p

Cu2
= P
đt
- p
cơ
= sP
đt
(2.6)

Vì P
đt
= m
2
*E
2
*I
2
*cosψ
2
(2.7)
nên ta có:
P
cơ
= m
2
*(1-s)*E
2
*I
2
* cosψ

2
(2.8)
Do
φπ
*****2
2212 dq
kwfE =
, trong đó tần số lưới
60
*
1
1
np
f =
và tốc độ góc của rô
to
60
**2
*)1(
1
n
s
π
ω
−=
nên đem thay vào (2.8) ta được mô men điện từ của động cơ
điện không đồng bộ:
22222
cos*******
2

1
ψ
ω
Ikwpm
P
M
dq
co
đt
Φ== (2.9)
Từ những quan hệ trên ta thấy rõ vấn đề trao đổi năng lượng từ điện sang cơ
trong động cơ điện không đồng bộ. Cách chuyển hóa năng lượng này về mặt điện
phụ thuộc vào góc lệch pha giữa sức điện động và dòng điện, về mặt cơ thì phụ
thuộc vào mô men điện từ và tốc độ quay của máy.
Thườ
ng ta lợi dụng mạch điện thay thế để tính ra mô men điện từ theo hệ số trượt
s. Theo mạch điện thay thế hình T của động cơ không đồng bộ(Hình 2.1)

Ta có:
2
211
2
211
1
2
)'()/'(
'
xCxsrCr
U
I

+++
=
(2.10)

22
và
2
211
2
211
2
2
11
2
2
2
1
)'()/'*(
/'
/''*
xCxsrCr
srUm
srImP
đt
+++
==
(2.11)
Từ đó ta được quan hệ giữa mô men điện từ với hệ số trượt s:
])'()/'*[(***2
/'

2
211
2
2111
2
2
11
1
xCxsrCrf
srUm
P
M
đt
đt
+++
==
π
ω
(2.12)
trong đó
p
f
1
1
2
π
ω
=
Công thức trên cho ta rút ra nhận xét mô men điện từ và dòng điện đều là hàm của
hệ số trượt s. Trong đó, ta nhận thấy mô men điện từ của máy điện không đồng bộ:

- Với tần số và tham số cho trước, mô men điện từ tỷ lệ với bình phương của điện
áp
- Mô men điện từ tỷ lệ nghịch với điện kháng (x
1
+ C
1
x’
2
) khi tần số cho trước,
muốn tìm mô men ta lấy đạo hàm dM/ds = 0 và được hệ số trượt s
m
ứng với mô
men cực đại M
max
đối với động cơ không đồng bộ:
2
211
2
1
21
)'(
'
xCxr
rC
s
m
++
=
(2.13)
và mô men cực đại bằng:

2
211
2
11
2
11
11
max
)'(
*
2
1
*
2
1
xCxrr
pUm
fC
M
+++
=
π
(2.14)
Thường r
2
1
không vượt quá 5%(x
1
+C
1

x’
2
)
2
nên có thể bỏ qua. Như vậy ta có:
)]'([2
*
2
1
21111
2
11
1
max
xCxrf
pUm
C
M
++
≈
π
(2.15)
Ta rút ra nhận xét về mô men cực đại:
- Với tần số và tham số cho trước M
max
tỷ lệ với U
2
1

- Điện trở rô to r’

2
càng lớn thì s
m
càng lớn
- Với tần số cho trước, M
max
tỷ lệ nghịch với điện kháng (x
1
+C
1
x’
2
)
Dòng điện khởi động và mô men khởi động có thể tìm ra được khi đem s = 1 thế
vào công thức (2.12). Ta có mô men khởi động và dòng điện khởi động bằng:
])'()/'*[(***2
'
2
211
2
2111
2
2
11
xCxsrCrf
rUm
M
k
+++
=

π
(2.16)

23
2
211
2
211
1
)'()'( xCxrCr
U
I
k
+++
=

Muốn tăng mô men khởi động M
k
= M
max
thì phải tăng điện trở r’
2
lên. Theo công
thức (2.16) điều đó được thực hiện khi
1
)'(
'
2
211
2

1
21
=
++
=
xCxr
rC
s
m

Suy ra điện trở rô to lúc đó:
C
1
r’
2
=
2
211
1
2
)'( xCxr ++
≈ (x
1
+ C
1
x’
2
)
Nhận xét:
-Với tần số cho trước thì M

k
tỷ lệ nghịch với điện kháng
(x
1
+ C
1
x’
2
)
-Dòng điện khởi động I
k
tỷ lệ nghịch với điện kháng và điện trở
Vậy để tăng mô men khởi động, trong thiết kế ta phải:
-Tăng điện trở rô to r’
2
, trường hợp ứng với mô men khởi động lớn nhất là C
1
r’
2
≈
(x
1
+ C
1
x’
2
)
-Giảm điện kháng (x
1
+ C

1
x’
2
), tuy nhiên khi giảm điện kháng xuống sẽ làm tăng
dòng điện khởi động. Do vậy, trong thiết kế ta phải dung hòa hai tiêu chí trái
ngược này.
2.2 Các phương pháp nâng cao mô men khởi động của động cơ không đồng bộ
Như ở chương 3 đã nêu, để máy búa rung đóng cọc làm việc được với máy
phát điện với công suất có hạn thì động cơ dùng cho máy búa rung đóng cọc phải
có mô men khởi động gấp 3,0 lầ
n mô men định mức, dòng điện khởi động không
vượt quá 6,5 lần dòng điện định mức. Để thỏa mãn điều kiện trên, ta xét các
phương pháp thiết kế nhằm nâng cao mô men khởi động sau:
2.2.1 Thiết kế động cơ điện rô to rãnh sâu:
Động cơ điện rô to rãnh sâu lợi dụng hiện tượng từ thông tản trong rãnh rô
to gây nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện để c
ải thiện đặc tính khởi
động. Để tăng hiệu ứng mặt ngoài, tăng mô men khởi động, rãnh rô to được thiết
kế có hình dáng vừa hẹp vừa sâu, thường tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng rãnh
vào khoảng 10 đến 12. Thanh dẫn đặt trong rãnh có thể coi như gồm nhiều thanh