Thiết kế mạch điều khiển biến tần ba pha

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình học tập bốn năm dưới mái trường Đại Học Hàng Hải
được sự hướng dẫn dạy bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo đặc biệt là các thầy
cô giáo bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp - Khoa Điện-Điện Tử Tàu Biển.
Em đã trang bị cho mình được những kiến thức cơ bản và những hành trang cần
thiết cho mình để sẵn sàng chở thành những kĩ sư trẻ phục vụ cho đất nước trong
thời kì hội nhập.
Trong quá trình học tập em nhận thấy biến tần đang được ứng dụng rộng rãi
trong các nhà máy, xí nghiệp hiện nay và đối với bản thân em nghiên cứu về
biến tần cũng là một niềm đam mê trong quá trình học tập. Chính vì vậy trong
lễ nhận đồ án tốt nghiệp em đã xin nhận đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển biến
tần ba pha”. Nội dung cơ bàn của đề tài:
+ Nghiên cứu tổng quan động cơ không đồng bộ
+ Nghiên cứu các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay
Chiểu
+ Tìm hiểu Cấu Trúc Các Bộ Biến Tần
+ Đi sâu tìm hiểu bộ Biến Tần Điều Biến Độ Rộng Xung (PWM)
+ Tìm hiểu về Họ Vi Điều Khiển dsPic
+ Ứng dụng vi điều khiển dsPic 30F4011 để xây dựng biến tần
Em hy vọng khi đề tài hoàn thành sẽ là một công cụ hữu ích để các bạn sinh
viên khoá sau yêu thích về biến tần có thể học tập nghiên cứu và nâng cao nó
trên cơ sở sẵn có để có thể tạo ra một bộ biến tần có nhiều tính năng tiện dụng
hơn phục cho quá trình học tập thêm phong phú và trực quan.
Với những kiến thức học được trong trường và chưa có nhiều kiến thức thực tế
trong lắp ráp chế tạo đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong có
sự chỉ bảo hướng dẫn của các thẩy cô để bản đồ án có thể hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Điện-Điện
Tử Tàu Biển đặc biệt là các thầy giáo: Ths. Vũ Ngọc Minh đã dành thời gian
tận tình hướng dẫn cho em để có hoàn thành được đồ án này.
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1 SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1.1 Cấu tạo:
Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính: phần tĩnh và phần quay.

1 2

3 4
5

6
Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn.
Trong đó:
1) Quạt làm mát 2) Hộp đấu dây 3) Võ máy
4) Stato 5) Chân đế lắp cố định 6) Rôto
a. Cấu tạo phần tĩnh ( stato ):
Gồm võ máy, lõi sắt và dây quấn
Vỏ máy:
Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định
máy trên bệ và không dùng để dẫn từ. Đối với máy có công suất lớn (1000KW)
thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ.
2
Lõi sắt:
Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm đến 0,5mm ghép lại. Lõi
sắt là phần dẫn từ vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn
cách điện. Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặc dây quấn.
stato

a b c
Hình 1.2: a/. Mặt cắt ngang của stato

b/. lá thép kỹ thuật điện
c/. Stato của động cơ không đồng bộ
Dây quấn:
Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt
trong rãnh của lõi sắt. Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120
0
điện.
b. Cấu tạo phần quay ( Rôto ):
Trục:
Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rôto.
Lõi sắt:
Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato được dập rãnh mặt
ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục.
3
Dây quấn rôto:
Gồm hai loại: loại rôto dây quấn và loại rôto ngắn mạch ( còn gọi là rôto
lồng sóc )
* Loại rôto kiểu dây quấn:
Dây quấn rôto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cực stato. Các
động cơ công suất trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu song hai lớp để
giảm được những đầu nối dây và kết cấu dây quấn rôto chặc chẽ hơn. Các động
cơ công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn rôto
thường nối sao ( Y ). Ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên
trục rôto và được cách điện với trục nhờ 3 chổi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc,
dây quấn rôto được nối với 3 biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc
độ.
* Loại rôto kiểu lồng sóc:
Loại dây quấn này khác với dây quấn stato, mỗi rãnh của lõi sắt được đặt
một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng
ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành 1 cái lồng người ta gọi là lồng sóc.

Hình 1.3 Dây quấn của rôto kiểu lồng sóc
Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép, rãnh rôto có
thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dung cho
máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy. Với động cơ công suất nhỏ
rãnh rôto thường đi chéo một góc so tâm trục.
4
c. Khe hở:
Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2mm ÷ 1mm). Do đó rôto
là một khối tròn nên rôto rất đều.
1.1.2. Đặc điểm của động cơ không đồng bộ:
Cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc
Vận hành tin cậy, chắc chắn, giá thành hạ
Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị các
thiết bị kèm theo
Tốc độ quay của rôto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato ( n < n
1
)
Trong đó:
n : Tốc độ quay của rôto
n
1
: Tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ ).
1.1.3. Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ:
Công suất định mức P
đm
là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra.
Điện áp định mức U
đm

và dòng điện định mức I
đm

Vd: Trên nhãn máy có ghi ∆/Y 220v/380v - 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau
khi điện áp lưới điện là 220v thì ta nối dây quấn stato theo hình ∆. Và dòng điện
định mức là 7.5 A. Khi điện áp lưới điện là 380v thì ta đấu dây quấn stato theo
hình Y, dòng điện định mức là 4.3 A.
Hệ số công suất định mức : cosϕ
đm
Tốc độ quay định mức n
đm
(vòng/ phút ).
Tần số định mức f
đm
(hz)
1.1.4. Cách đấu dây của động cơ:
Tuỳ theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây stato theo hình Y hay hình
∆. Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha. Khi thiết kế người ta đã
quy định điện áp định mức cho mỗi dây quấn .Động cơ làm việc phải đúng với
5
điện áp quy định ấy. Để thuận tiện cho việc đấu động cơ, người ta ký hiệu 6 đầu
dây của ba dây cuốn động cơ AX, BY, CZ và đưa 6 đầu dây nối ra 6 bu lông
( 1….6 ) ở hộp dây trên vỏ động cơ.
Cách đấu 6 đầu dây như thế nào để điện áp vào động cơ luôn là định mức.
- Động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 220V
( U
P
= 220V ), trên nhãn động cơ ghi là ∆ /Υ 220V/380V .
Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có U
d

= 380V, thì động cơ phải đấu
theo hình sao (Y). Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạo
thành điểm trung tính. Ba điểm đầu nối với nguồn.
Cách đấu như hình vẽ:

Hình 1.4. Hộp đấu dây quấn stato hình sao
Trong cách nối hình Y
I
d
= I
p
; U
d
=
3
U
p

Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là: U
p
=
220
3
380
=
V bằng đúng điện áp
quy định.
- Trường hợp động cơ làm việc ở mạng điện có điện áp 220v thì động cơ
phải đấu theo hình ∆. Muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha này nối với cuối
của pha kia. Cách nối tam giác không có dây trung tính.

6
A B C
X Y Z Hộp đấu dây
Nguồn
Hình 1.5: Hộp đấu dây quấn stato theo hình tam giác
Trong cách nối tam giác
U
d
= U
p
I
d
=
3
I
p

Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là 220v
1.1.5. Vai trò của động cơ không đồng bộ:
Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động
cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành hạ nên
động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành
kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến vài nghìn KW . Trong công
nghiệp thường dùng động cơ không đồng bộ là bộ phận động lực cho máy cán
thép vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ,
vv… Trong hầm mỏ dùng làm máy tưới hay quạt gió. Trong công nghiệp dùng
để làm máy bơm hay máy gia công nông sản.
Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: đó là cos
ϕ

của máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng
dụng của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế.
1.1.6 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ:
Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong dây quấn có
các dòng điện. Hệ thống dòng điện này tạo ra từ trường quay với tốc độ:
7
A
B C
X YZ
Hộp đấu dây
R
1
Nguồn
F
dt
n

1
1
60 f
n
P
=
( 1. 1)
Trong đó:
f
1
: tần số dòng điện lưới
p : Số đôi cực
Nếu tần số f

1
= 50 Hz: ta có
P
n
3000
1
=
Từ trường quay của stato cảm ứng trong dây quấn rôto một suất điện động
E (chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải), vì vậy dây quấn
rôto nối ngắn mạch nên trên thanh dẫn rôto hình thành 1 dòng điện lớn. Sự tác
đụng tương hỗ giữa dòng điện của rôto với từ trường của stato tạo nên một lực
điện từ tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rôto tạo ra
mômen làm cho rôto quay. Chiều quay của rôto theo quy tắc của từ trường được
minh họa theo hình 1.6

Hình 1.6: Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB.
Tốc độ rôto n được gọi là tốc độ làm việc và luôn nhỏ hơn tốc độ quay của
từ trường n
1
. Vì nếu tốc độ quay của rôto bằng tốc độ của từ trường có thể xem
cuộn dây của rôto và từ trường đứng yên nên không xãy ra hiện tượng cảm ứng
điện từ trên cuộn dây rôto. Vì vậy chỉ trong trường hợp tốc độ quay của rôto nhỏ
8
hơn tốc độ quay của từ trường mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây
quấn rôto.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt
1
1
n
nn

s
−
=
( 1.2 )
Trong đó:
s : hệ số trượt
n
1
: tốc độ quay
n : tốc độ quay của rôto
Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ có trị số nằm trong khoãng từ 0 ÷ 1
Khi s = 0 : tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường ở chế độ không tải lý tưởng
Khi s = 1 : rôto đứng yên ( n = 0) mômen trên trục bằng mômen mở máy
Khi động cơ quay ở tải định mức, có hệ số trượt định mức tương ứng có tốc độ
quay của rôto đinh mức. Hệ số trượt định mức nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,06
Từ công thức ( 1 – 1) ta có thể tính được tốc độ quay của động cơ không tải
n = n
1
( 1 – s ) (1.3 )
Dòng điện trong dây quấn và từ trường quay tác dụng lực tương hổ lên
nhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịu tác
dụng của mômen theo chiều ngược lại. Muốn cho từ trường quay với tốc độ n
1
thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ.
60
2
1
n
MMP
dt

π
ω
==
(1 . 4 )
Trong đó:
60
2
1
1
n
π
ω
=
( )
s
rad
( 1.5 )
1
ω
: tốc độ gốc của từ tường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ
9
Khi đó công suất điện đưa vào
P
1
=
3
.U.I.Cos
ϕ
( 1.6 )
Ngoài thành phần công suất điện từ có tổn hao trên điện trở dây quấn stato.

2
1
2
1
3 IRP
dt
=∆
( 1.7 )
Tổn hao sắt từ:
PP
st
∆=∆
( 1.8 )
Do vậy:
stdtdt
PPPP
∆−∆−=
1
( 1.9 )
Công suất cơ ở trục là:
60
.2
'
2
n
MMP
π
ω
==
( 1.10 )

Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì có tổn hao trên dây quấn rôto:
22 ddt
PPP ∆−=
( 1.11 )
Trong đó:
'
2
'
222
IRmP
d
=∆
( 1.12 )
R
2
’
: điện trở quy đổi của rôto
I
2
’
: dòng điện quy đổi của rôto
m
2
= 3 : số pha của dây quấn rôto
Vì P
2
’
< P
dt
do đó n < n

1
Công suất cơ của P
2
đưa ra nhỏ hơn P
2
’
vì tổn thất trên trục động cơ và các
tổn thất phụ khác:
Do vậy:
fc
PPPP
∆−∆−=
'
22
( 1.13 )
Trong đó:
c
P
∆
: tổn hao cơ
10
f
P∆
: tổn hao phụ khác
Hiệu suất của động cơ:
( )
9,08,0
1
2
÷==

P
P
η
( 1.14 )
1.1.7 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ:
a, Các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ.
Phương trình đặc tính cơ:
Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử
dụng sơ đồ thay thế. Trên hình 1.6 là sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ không
đồng bộ. Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây:
Ba pha của động cơ là đối xứng
Các thông số động cơ là không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt
độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bảo
hòa nên điện kháng X
1
, X
2
không đổi.
Tổng dẫn mạch từ không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc
vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato động cơ.
Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.
Với giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ:
Hình 1.7: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ
11
I
1
X
1
R

1
X
’
2
'
2
R
s
X
μ
R
μ
U
1f
I
μ
I
’
2
Trong đó:
f
U
1
: trị số hiệu dụng của điện áp stato.
2
'
1
,, III
µ
: các dòng điện từ hóa, stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato.

2
'
1
,, RRR
µ
: các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato và
rôto đã quy đổi về stato.
'
11
,,
δδµ
XXX
: điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng
tản rôto đã quy đổi về stato.
s : hệ số trượt của động cơ.
1
1
ω
ωω
−
=
s
( 1.15 )
( )
s
rad
n
60
.2
π

ω
=
: tốc độ góc động cơ.
p
f
1
1
.2
π
ω
=
: tốc độ góc của từ trường ( tốc độ đồng bộ)
Trong đó:
f
1
: tần số của điện áp nguồn đặt vào stato.
p : số đôi cực từ động cơ.
Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stato:

















+








+
+
+
=
2
2
'
2
1
22
11
11
nm
f
X
s
R

R
XR
UI
µµ
( 1.16 )
δ
δ
2
'
1
XXX
nm
+=
: điện kháng ngắn mạch.
Biểu thức (1.16 ) là phương trình đặc tính dòng điện stato và có thể biểu
diễn trên hình1.6.
12
Hình 1.8: Đặt tính dòng điện stato của động cơ KĐB
Ta nhận thấy rằng:
Khi
1,0
==
s
ω
thì I
1
= I
1nm
Khi
0,

1
==
s
ωω
ta có:
µ
µµ
I
XR
UI
f
=








+
=
22
11
1
( 1.17 )
Trong đó:
I
1nm
: dòng điện ngắn mạch stato

I
µ
: là dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động
cơ quay với tốc độ đồng bộ.
Ta cũng tính được dòng điện rôto quay quy đổi về stato.
2
2
'
2
1
1
'
2
nm
f
X
s
R
R
U
I
+









+
=
( 1.18 )
Đây là phương trình đặc tính dòng điện của động cơ không đồng bộ,
được biểu diễn Hình 1.9
13
ω
F
S
I
1
I
1nm
R
f
= 0
Đ
C
R
f
= 0
1
ω
0
Hình 1.9: Đặc tính dòng điện rôto của động cơ KĐB
Khi
0,
1
==
s

ωω
thì
0
'
2
=I
Khi
1,0
==
s
ω
thì
( )
2
2
'
21
1
2
2
'
nm
f
nm
XRR
U
II
++
==
Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:

P
12
= M
đt
.
1
ω
( 1.20 )
Trong đó:
M
đt
: là mômen điện từ của động cơ.
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: M
đt
= M
cơ
= M
Công suất đó chia thành hai phần:
P
cơ
: công suất đưa ra trên trục động cơ.
2
P
∆
: công suất tổn hao đồng trong rôto
P
12
= P
cơ
+

∆
P
2
Hay M
1
ω
= M
ω
+
∆
P
2
Do đó
∆
P
2
= M(
ωω
−
1
) = M.
1
ω
.s
14
ω
S
'
2
I

'
2nm
I
1
ω
0
1
R
f
= 0
R
f
≠ 0
Mặc khác
∆
P
2
= 3.
2
'
2
I
.
'
2
R
Nên
1
'
2

'
2
3
2
ω
s
R
I
M =
( 1.26 )
Thay giá trị
'
2
I
đã tính được ở trên vào ( 1.26 ) và biến đổi ta được:








+









+
=
2
2
'
2
11
'
2
'
1

3
2
nm
f
X
s
R
Rs
RU
M
ω
( 1. 27 )
Trong đó:
X
nm
= X

1
+ X
2
’
p
f
1
1
2
π
ω
=
: tốc độ đồng bộ ứng với M
c
= 0.
Đây là phương trình biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f [s(
ω
)] gọi là phương trình
đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha.
Hình 1.10: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ KĐB.
Với những giá trị khác nhau của s ( 0 ≤ s ≤ 1 ) sẽ cho ta những gía trị tương
ứng của M. Đường biểu diễn M = f(s) là đường đặc tính cơ của động cơ điện
không đồng bộ.
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K, tại điểm đó:
0
=
ds
dM
15
S

thF
M
thĐ
0
1
ω
M
thF
0
=
ω
S
thĐ
S =1
Giải phương trình ở tử số với S ta được:
22
1
'
2
nm
th
XR
R
S
+
±=
( 1.29 )
Thay phương trình ( 1. 29 ) vào phương trình ( 1.27 ) ta được:
)(2
.3

22
111
2
1
nm
f
th
XRR
U
M
+±
±=
ω
( 1. 30 )
Trong hai biểu thức trên dấu ( + ) ứng với trạng thái động cơ, dấu ( - ) ứng
với trạng thái máy phát. Do đó │M
th
│ở chế độ máy phát lớn hơn │M
th
│ở chế
độ động cơ.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận
tiện hơn bằng cách phương trình CLOSS:
( )
th
th
th
thth
sa
s

s
s
s
saM
M
.
.12
++
+
=
( 1.31 )
Trong đó:
2
1
R
R
a =
Đối với những động cơ công suất lớn thường R
1
rất nhỏ so với X
nm
, lúc này
có thể bỏ qua R
1
, nghĩa là coi R
1
= 0, as
th
= 0 và (1.31 ) có dạng gần đúng:
s

s
s
s
M
M
th
th
th
+
=
2
( 1 .33 )
Trong đó:
nm
th
X
R
S
'
2
±=
nm
f
th
X
U
M
1
2
1

2
.3
ω
±=
Nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách
tuyến tính hoá các đặc tính trong đoạn làm việc. Vì dụ ở vùng độ trượt nhỏ s ≤
s
th
tỷ số
th
s
s
nhỏ, gần đúng coi
0
=
th
s
s
. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản:
16
s
s
M
M
th
th
.
2
=
( 1.36 )

Cũng có thể tuyến tính hoá điểm làm việc qua điểm định mức, phương trình
gần đúng là:

s
s
M
M
dm
dm
.
=
( 1.37 )
Từ dạng đặc tính cơ biểu diễn ở ( H.1- 9 ) ta thấy độ cứng của đường đặc
tính cơ biến đổi cả về trị số lẫn về dấu tuỳ theo điểm làm việc.
ωω
β
∆
∆
∆
∆
=
∆
∆
=
s
s
MM
.

Với đặc tính tuyến tính hoá đường 1 ( H. 1.9)

1
1
2
ωω
−=
∆
∆
=
∆
∆
s
s
M
s
M
th
th
Vậy
th
th
s
M
1
2
ω
β
−=
( 1. 39 )
Tương tự với đặc tính 2 trên Hình 1.10:
dm

dm
s
M
1
ω
β
−=
( 1. 40 )
Như vậy trên đường đặc tuyến của động cơ không đồng bộ
β
có giá trị âm
và gần như không đổi.
Đối với đoạn đặc tính s > s
th
, khi s >> s
th
bỏ qua
s
s
th
và phương trình đặc
tính cơ sẽ là:
s
sM
M
thth
2
=
( 1.41 )
Và

2
1
2
s
sM
thth
ω
β
=
( 1.42 )
Trong đoạn này độ cứng
β
là dương và giá trị của nó biến đổi. Động cơ
không đồng bộ không làm việc trên đoạn đặc tính này.
17
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ được biểu diễn ở H.1- 9.
Hình 1.11: Đặc tính cơ của động cơ KĐB
Đoạn đặc tính cơ AK gần thẳng và cứng, trên đoạn này mômen tăng thì tốc
độ động cơ giảm. Do đó động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ làm việc ổn
định.
Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ KĐB:
Từ phương trình đặc tính cơ (1. 27) của động cơ không đồng bộ, ta thấy các
thông số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm.
- Điện áp lưới U
f1
.
- Tần số lưới điện cung cấp cho động cơ f
1
.
- Điện trở, điện kháng mạch stato ( nối thêm điện trở phụ R

1f
và X
1f
vào stato).
- Điện trở mạch rôto ( nối thêm điện trở phụ R
2f
vào mạch rôto đối với
động cơ rôto quấn dây).
- Ảnh hưởng số đôi cực p của động cơ.
Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại lượng:
- Tốc độ đồng bộ:
p
f
1
1
.2
π
ω
=
- Độ trượt tới hạn:
22
1
'
2
nm
th
XR
R
s
+

±=
18
K
B
R
f
≠ 0
TN

(R
f
= 0)
1
2
M
đm
A
M
th
0
S
th
th
ω
- Mômen tới hạn:
(
)
22
111
2

1
2
3
nm
ph
th
XRR
U
M
+±
±=
ω
b. Ảnh hưởng của điện áp nguồn cung cấp cho động cơ:
Điện áp lưới U
f1
: thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều. Các
tham số còn lại là hằng số.
Khi U
f1
giảm → ( M
th
) Mômen tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suy
giảm của điện áp . M
th
giảm ∼ U
1
2
giảm
Trong khi đó tốc độ đồng bộ: ω
1

=
P
f
1
.
2
π
= const. Và độ trượt
không thay đổi. Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp này.
Hình 1.12: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
khi giảm điện áp cấp cho động cơ.
Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho M
th
giảm nhanh. Tuy
nhiên S
th
không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng
phụ tải như: quạt gió, máy bơm ly tâm.
c. Ảnh hưởng của tần số lưới điện f
1
cấp cho động cơ:
Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và
lồng sóc.
19
ω
1
ω
M
S
M

nm3
TN
M
nm2
U
1
M
C1
M
nm
U
đm
M
C2
U
2
U
3
S
thđm
0
Xuất phát từ biêu thức : ω
1
=
P
f
1
.
2
π

, ta thay đổi tần số f
1
làm cho tốc
độ từ trường quay thay đổi → tỗc độ động cơ thay đổi theo .
Khi f
1
> f
1đm
ta có : ↓ S
th
=
( )
↑
≈
+
f
LL
P
f
R
1
'
21
1
'
2
1
2
π

X
1
= ω
1
L
1
; X
2
’ = ω
1
L
2
’

Mômen tới hạn sẽ giảm theo quy luật :
↓ M
th
=
( )
↑
≈
+
f
LL
P
f
U
2
1
'

21
2
2
1
1
2
1
2
8
π
Thực tế khi f
1
tăng để đảm bảo đủ M
mm
cho động cơ và tốc độ làm việc của
động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép .
ω
max
bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ .

Khi f
1
< f
1đm
tức là khi f
1
giảm ta có:

Khi f
1

giảm → ω
1
giảm → S
th
tăng → M
th
tăng→ X
nm
giảm
Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp
20
Hình 1.13: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới
điện f
1
cấp cho động cơ
Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng
trở của mạch giảm ( vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số ) với giá trị điện
áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần số
cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ định
mức
Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:
Khi f
1
< f
1đm
với điều kiện
f
U
1
1

= const thì M
th
giữ ở không đổi.
Khi f
1
> f
1đm
. thì M
th
tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
Khi tăng giảm tần số f
1
cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ
động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng.
d. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato:
Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R
1f
) hoặc điện kháng
(X
1f
) nối tiếp vào phía stato của động cơ.
Tốc độ từ trường không đổi: ω
1
=

const , S
th
giảm , S
th
giảm

21
M
f
1dm
f
13
f
14
f
12
f
11
f
1
< f
1đm
ω
11
ω
12
ω
1đm
ω
13
ω
14
0
M
thđm
M

C
f
1
> f
1đm
ω
Do đó đặc tính cơ có dạng:
Hình 1.14: Động cơ KĐB với R
f
và X
f
trong mạch stato.
a) Sơ đồ với R
1f
; b) Sơ đồ với X
1f
; c) Đặc tính cơ
Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là M
mm
thì đặc
tính cơ ứng với X
1f
trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R
1f

Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X
1f
, hoặc R
1f
trong mạch stato khi khởi động.

e. Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stato:
Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điều
chỉnh xung điện trở . người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R
2f
vào mạch rôto .
Ta có: ω
1
=
P
f
1
.
2
π
= const
M
th
= const
S
th
=
X
RR
nm
f
'
2
'
2
+

tăng → dòng điện mở máy giảm
22
R
f
ĐC
X
f
ĐC
S
ω
0
M
nm
M
nm
R
1f
TN
1
ω
0
S
thdm
X
1f
M
1
a) b) c)
Hình 1.15: Ảnh hưởng của điện trở mạch roto đến đặc tính cơ.
a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đặc tính cơ

Vậy R
1
càng tăng, dòng điện khởi động càng giảm, M
kđ
tăng lên. Sau đó
mômen khởi động sẽ giảm. Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm
của phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp.
f. Ảnh hưởng số đôi cực p:
Để thay đổi số đôi cực ở stato ngưới ta thường thay đổi cách đấu dây:
Từ công thức: ω
1
=
p
f
1
.
2
π
và ω = ω
1
( 1- s )
Ta thấy thay đổi số cặp cực p thì ω
1
thay đổi dẫn đến tốc độ động cơ thay
đổi. Giá trị S
th
không phụ thuộc vào p nên không thay đổi khi đó độ cứng đặc
tính cơ giữ nguyên. Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây
ở stato nên một số thông số như U
1

(điện áp vào stato) R
1
, X
1
có thể thay đổi do
đó từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn M
th
của động
cơ.
23
R
f
S
TN
R
2f
= 0
M
thdm
ω
S
thdm
R
2
f
2
R
2
f
1

M
a)
b)
0

a) b)
Hình1.16: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ.
a) Thay đổi số đôi cực với P
2
= P
1/2
và M
th
= const
b) Thay đổi số đôi cực với P
2
= P
1/2
và P
1
= const
1.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN
1.2.1 Khái niệm
Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến
đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay
chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử
1.2.2 Phân loại
a. Biến tần trực tiếp:
24
M

Sω
ω
p2
ω
p1
P
1
P
2
M
R
2
R
1
ω
12
ω
11
M00
ω
o
o
o
a
b
c
C K
C K
CK
CK

CKck
ÑKB
U
2
f
2
T
A
N
A
T
B
N
B
T
C
N
C
~ U
1
, f
1
A B C
•
•
•
Còn gọi là biến tần phụ thuộc. Thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều
khiển mắc song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể
nhận được dòng điện xoay chiều trên tải.
Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải

với U2(f2).
Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng
cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần
số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1.
b. Biến tần gián tiếp:
Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh
lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần
số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1).
Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần
Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy
tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn.
25
D 9
o
o
o
T7
T9
T11
T10
T12
T8
T4
T6
T8
T1 T3 T5
D1
D3 D5
D4
D6 D2

D7
D11
D10
D12
D8
Co
C1 C3
C5
C4
C2
C6
L2
L1
Lo
ÑKB
U
2
, f
2
~
U
1
, f
1