điều chỉnh tốc độ động cơ roto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Lêi nãi ®Çu
  
!"#$%&'()*+,
-./0#1!234)"#!1
21!/$5!016!7'
89*+,-/%5!0:; 
7$!1)3<=3'>
%$+&"?!/%@:&"! 
A%%/=:&"!!1&< 
*)A!B!$C?DB 
C94 !1'
E+F#G !1?1! 
+F&H%%&+I6!!&!&<1 
/"*+JK*4'8.0$9H#LM// 
1!2#&H%%&+I6!%N
?!OP&7"I!1 
'</6!).%%H&#92 
</6!%9B!'M+!A*! %H$P- 
),"!Q
 M=6!1!2#&H%%
'
 R7C4'
 R7C41!3'
 M=)#1!34D'
M6!.$%IP&3S 
</!"$P0)<T/ B 
%43%H'
U?%SD%/I"I!"9B9+J
M/"!VM!W$-0.9+J1!T/6!T
%!$903X&M/X@>;>M:Y>4Z7X(Z

%4"A-4<1!A*!#"!# 
Y%H#'


1
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
I.Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha 2
II.Mạch điện thay thế 3
III.Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 5
84
Chơng I
Tổng quan các phơng pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ ba pha
A. mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ
không đồng bộ ba pha
I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha
Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho
nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể
không nói đến sự biến đổi năng lợng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, động

2
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong
sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt
trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac)
đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và đa ra nhiều ph-
ơng án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp.
Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ đợc sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ rất
cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng trăm

kW. Với những u điểm nổi bật của nó nh: giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 động cơ điện
một chiều khi có cùng công suất), làm việc tin cậy chắc chắn, hiệu suất cao
Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực tiếp lới điện xoay chiều ba pha
nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ thống.
Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ nh:
Trong công nghiệp thờng dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa và
nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong hầm mỏ dùng
làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy
gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện
không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng nh làm quạt gió, máy bơm n-
ớc, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện
khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày
càng đợc cải thiện và mở rộng.
Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhợc điểm riêng của nó. Đối
với động cơ không đồng bộ bên cạnh những u điểm kể trên nó có một số nhợc
điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cos thấp, khống chế các quá trình quá
độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động tơng đối
xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều kiện cụ thể
còn có phần bị hạn chế.
Nói tóm lại, với những u điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc
ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng đợc phát triển và cải
tiến về mọi mặt.
II. Mạch điện thay thế
Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m
1
pha (th-
ờng m
1
= 3), trên rôto có dây quấn m
2

pha (m
2
= 3 đối với động cơ rôto dây quấn;
còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m
2
> 3). Nh vậy trong động cơ không đồng
bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm
ứng từ. Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có đợc hệ phơng trình cơ bản
của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay nh sau:

3
;ZI=E-
;I='I+I
;E='E
);jx'+
s
r'
('I-'E=0
);jx+(rI+E-=U
m
0

1

0

2

1

1

2

2
2
2

2

11
1

1

1

(I)
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội

Dựa vào các phơng trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập đợc mạch điện thay
thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay nh sau:
Thờng để thuận lợi cho tính toán, ngời ta biến đổi mạch điện thay thế hình
T thành mạch điện thay thế hình đơn giản hơn:
MQ
m
1
1
Z
Z

1C +=

[

4
C
1x
1
C
1r
1
C
1r'
2
/s
C
1x'
2
x
m
r
m
U
1
I
1
-I''
2
I
00

r
1
x
1
Z.\'E4/.
&H%'
Z.]'E4/.M
&H%'
x
1
r
1
r'
2
x'
2
x
m
r
m
U
1
r'
2
(1-s)/s
I
1
-I'
2
I

0
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
m
1

1

00

ZC
U
=I
7+D&T$+D&
*9^"_`[
1

2

2

C
'I-
=''I-
7+D* 4..
Thực tế,
1
C

chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có thể coi
1=+1=

1
1


?
?
a
.
Nh vậy:

Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa:
III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của dòng
điện rôto đã quy đổi về stato I
2
là:
MQ
b

_?
]
c?d
\
4'
Để tìm phơng trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất
trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:
P
12
=M
đt

.
0
MQE

e&Pf
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì M
đt
= M
cơ
, ta ký hiệu:

;'I=''I
2

2

;I=I-I=''I-I=''I
0

2

1

2

1

00

(II)

5
Z.g'E4/.
&H%'
x
1
r
1
r'
2
/s
x'
2
x
m
r
m
U
1
I
1
-I'
2
I
0
r
1
x
1
(1)
2

nm
2
2
1
f
2
x)
s
'r
r(
U
'I
++
=
Z.h'>C &
H%'

(s=s
th
)


0
0
M
đm
M
th
M
)xrr(2

U3
M
2
nm
2
110
2
f
th
++
=

(3)
(4)
22
2
2
th
nm1
2
211
2
xr
'r
)'xx(r
'r
s
+
=
++

=
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
M
đt
= M
cơ
= M
Công suất đó đợc chia làm hai phần: công suất đa ra trục động cơ P
cơ
và
công suất tổn hao trong rôto P
2
nghĩa là:
P
12
= P
cơ
+ P
2
hay
M
0
= M + P
2
do đó
P
2
= M (
0
- ) = M

0
s
Mặt khác:
2
2
22
'r'I3=P

nên
s
'r'I3
M
0
2
2
2

=
Thay (1) vào phơng trình trên ta có phơng trình đặc tính cơ:
Kết hợp với phơng trình tốc độ =
0
(1 s) ta có dạng đờng cong đặc
tính cơ:
Điểm cực trị của đặc tính cơ thờng đợc gọi là điểm tới hạn có tọa độ [M
th
,
s
th
]:

6
]x+)
s
'r
+r[(
'rU3
=M
2
nm
2
2
1
0
2
2
f

(2)
s
s
s
s
M2
M
th
th
th
+
=
nm

th
x
'r
s
2
=
nm0
2
f
th
x2
U3
M

=
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Ta có thể viết phơng trình đặc tính cơ dới dạng khác thuận tiện hơn bằng
cách lập tỉ số giữa (2) và (4) rồi biến đổi ta đợc:
( )
th
th
th
thth
as2+
s
s
+
s
s
as+1M2

=M
MQ
2
1
r
r
a =
'
Trong động cơ không đồng bộ thờng r
1
r
2
mà s
th
= 0,1 ữ 0,2 nên ta có thể
coi as
th
0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx:


Đối với các động cơ có công suất lớn thờng r
1
<< x
nm
nên ta có:
(5)
B. các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ
Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có tần số f
1

thì ta có biểu
thức của tốc độ:
=
0
(1 s) (6)
MQ
#6! &[

`
p
f2
=
1
0


#&T[

7
1
1

1

1

1

ZI-U=fc=E

Z.i'WH!AT!11!
2B"#'
Đ
var
f
b
U
b
const
f
1
U
1
Biến
Tần
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
""#) '
Do đó ta có:
s)-1(
p
f2
1


=
(7)
Từ phơng trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ
ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông số: tần số nguồn f
1
, số đôi cực p

và hệ số trợt s. Tơng ứng với sự điều chỉnh các thông số trên ta có các phơng pháp
điều chỉnh động cơ không đồng bộ:
- Thay đổi tần số f
1
của nguồn cấp.
- Thay đổi số cực 2p.
- Điều chỉnh điện áp đặt vào stato.
- Điều chỉnh điện trở mạch rôto.
- Dùng sơ đồ nối tầng động cơ không đồng bộ.
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số
1. Nguyên lý điều chỉnh
Tần số của lới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trờng quay trong
máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng stato ta có thể điều chỉnh đợc tốc
độ của động cơ. Để thực hiện phơng pháp điều chỉnh này ta dùng bộ nguồn biến
tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ nh sau:

Máy điện đợc chế tạo để hoạt động ở tần số định mức nên khi thay đổi tần
số chế độ làm việc của máy điện cũng bị thay đổi vì tần số có ảnh hởng trực tiếp
đến từ thông của máy điện. Quan hệ này có thể đợc phân tích nhờ phơng trình cân
bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện:
MQ

1
E
W**!+I"[

8
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mf&D6!!+I"[
ZN"#j[

1
U

>"[
k
]
MB"#+D"'
Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato ta có :
1
1
cf
U


=

Từ phơng trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U
1
(U
1
= const), khi tăng
tần số f
1
thì từ thông trong máy sẽ giảm làm cho mômen của máy điện giảm. Nếu
mômen tải không thay đổi hoặc là hàm tăng của tốc độ thì khi đó dòng điện cũng
phải tăng để cho mômen cân bằng với mômen tải. Kết quả là động cơ bị quá tải về
dòng. Ngợc lại khi giảm tần số để giảm tốc độ lại dẫn đến từ thông tăng lên làm

tăng mức độ từ hoá lõi thép, tăng tổn hao thép và làm nóng máy điện.
Nh vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải thay
đổi điện áp một cách tơng ứng.
Ngời ta chứng minh đợc rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều chỉnh
điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi
)constM/M(
cth
==
thì
chế độ làm việc của động cơ luôn đợc duy trì ở mức tối u giống nh khi làm việc ở
thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cos của máy trong toàn dải điều chỉnh
gần nh không đổi.
2. Các đặc tính điều chỉnh
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số không chỉ
phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp, nghĩa là còn
phụ thuộc đặc tính của phụ tải.
- Khi M
c
= const
0
M
c
M
th
M

f
12
f
1đm

f
11
- Khi M
c


1

9
Z.l'aC1!21!2#
&H%%NB"#94!'
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
M
M
c
0
f
11
f
1đm
f
12

- Khi M
c

2
M
Mc
0

f11
f1đm
f12

3. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
tần số có các u, nhợc điểm sau:
Ưu điểm
Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ.
Dải điều chỉnh tốc độ D lớn.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến tần mắc trực tiếp từ
lới điện, do đó không cần các thiết bị biến đổi, nó sử dụng động
cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc,
giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trờng.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng biến tần có thể hãm tái sinh cho
nên nguồn xoay chiều này có thể làm việc ở cả 4 góc tọa độ.
Nhợc điểm
Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn
và mạch điều khiển điện tử.
Phạm vi ứng dụng

10
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có nhiều u điểm, song
phạm vi ứng dụng của nó phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Do
vậy, trong thực tế biến tần thờng đợc sử dụng khi có nhiều động
cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung. Động cơ không
đồng bộ rôto dây quấn ít đợc sử dụng cùng với biến tần do biến
tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc
một cách dễ dàng.

II. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực
Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng bộ, tốc độ từ trờng quay
thay đổi và do đó tốc độ động cơ rôto cũng biến đổi theo. Quan hệ đó thể hiện
trong biểu thức tốc độ sau:
s)-1(
p
f2
=
1


Động cơ đa tốc thờng có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng tự biến đổi
số cực rôto theo stato. Do đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp
nhàng với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, phơng pháp này
hiếm khi đợc sử dụng vì khi thay đổi số cực stato ta đồng thời phải thay đổi số cực
rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp.
III. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt
vào stato
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở
kháng mạch stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:
]x+)
s
'r
+r[(
'rU3
=M
2
nm

2
2
1
0
2
2
f

Ta thấy, có thể làm biến dạng đặc tính cơ bằng cách nối vào mạch stato một
điện trở phụ hoặc một điện kháng phụ. Trong thực tế, việc dùng điện trở phụ có
hiệu quả rất kém do có tổn hao trên bản thân nó, nên ít đợc sử dụng. Sơ đồ nguyên
lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ ba pha khi dùng kháng
trong mạch stato nh sau:

11
Z.m'WH!ATC1!2
&H%+F
44"n?
k]
o?
k\
p'
x
f2
x
f1
đt.gh
M
c.cp
M

0


0
Đ
x
f
U

Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Từ mạch điện thay thế hình đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ ta
thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng điện stato và rôto đều giảm xuống, do
đó mômen M của động cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn mômen tải M
c
nên hệ
sẽ giảm tốc. Kết quả là động cơ sẽ chuyển sang làm việc xác lập ở tốc độ thấp hơn
tốc độ cơ bản.
Từ phơng trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn kháng vào stato, khi
đó điện kháng ngắn mạch x
nm
tăng và do đó, độ trợt tới hạn s
th
và mômen tới hạn
M
th
đều giảm nh trên hình 7.
b. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh
cuộn kháng ở mạch stato có những u, nhợc điểm sau:
Ưu điểm

Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều
khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp.
Nhợc điểm
Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để (không điều chỉnh đợc
tốc độ không tải lý tởng
0
.
Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trợt tới hạn càng nhỏ,
do đó khả năng mang tải càng kém và độ ổn định tĩnh cũng nh
động của hệ càng thấp.
Độ chính xác đặt tốc độ kém do độ cứng của đặc tính cơ điều
chỉnh khá nhỏ.
Các chỉ tiêu năng lợng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi giảm
tốc độ và hệ số công suất cos thấp do nối thêm kháng.
Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không đồng bộ
rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhợc điểm do đó ít đ-
ợc dùng trong thực tế.

12
const=s=s
U.M=M
tn.thu.th
2*
bthu.th
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
2. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi điện áp đặt vào stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp. ngời ta dùng bộ nguồn BĐ có điện áp ra thay đổi tùy

thuộc vào tín hiệu điều khiển U
đk
với sơ đồ nguyên lý hình 8.
Khi thay đổi điện áp lới, ví dụ khi giảm xuống còn x lần (x < 1) điện áp
định mức (U
1
= xU
đm
) thì mômen sẽ giảm xuống còn x
2
lần M = x
2
M
đm
. Nếu
mômen tải không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trợt tăng lên.
Theo công thức về mômen M = c
m
I
2
, trong đó c
m
là hằng số, thì khi điện
áp lới U
1
= xU
đm
, thì sức điện động E và từ thông cùng bằng x lần giá trị ban đầu
và I
2

tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trợt:
1
2
2
21
tđ
2cu
M
'r'Im
=
P
P
=s

nên hệ số trợt s sẽ bằng 1/x
2
lần hệ số trợt cũ và tốc độ động cơ điện ở điện áp
mđ1
xU=U
sẽ là:
)
x
s
-1(n=n
2
1
Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn M
th
sẽ thay đổi đổi tỷ
lệ với bình phơng điện áp, còn độ trợt tới hạn s

th
thì giữ nguyên, nghĩa là:
Đặc tính điều chỉnh có dạng nh sau:

13
Z.q'WH=6! !1&
H%1!2!H'
Var
U
b
U
đk
Đ
Biến
Đổi
Điện
áp
Z.r'aC1!2
"$s
]\
os
]]
'
U
12
U
11
đt.tn
M
M

th.u
M
th
0

0


(s=s
gh
)
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
b. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Phơng pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và cải thiện các đặc tính
điều chỉnh.
Nhợc điểm
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp có nhợc
điểm là làm việc không ổn định do hệ thống nhạy với sự thay đổi của điện áp.
Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo
tốc độ nh: quạt gió, bơm ly tâm.
IV. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh điện trở mạch rôto
1. Nguyên lý điều chỉnh
Khi thay đổi điện trở mạch rôto (bằng cách thay đổi điện trở phụ R
f
mắc
vào rôto), dòng điện stato I
1

và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến
tốc độ của động cơ cũng thay đổi. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ
không đồng bộ khi điều chỉnh bằng phơng pháp này nh sau:
Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là M
c
và
tốc độ là
1
, điểm làm việc là điểm a trên đồ thị hình 10. Để điều chỉnh tốc độ ta

14
Z.]`'WH!ATC
&H%1!2%N'
U

R
f
a'
b
a
M
M
th
M
c
0

2

1

0

Đ
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
đóng một điện trở R
f
vào cả ba pha rôto, khi đó điện trở mỗi pha rôto là
f22
R + r = R
. Điện trở rôto tăng, từ sơ đồ mạch điện thay thế hình đơn giản hóa
ta thấy dòng điện stato I
1
giảm đột biến và do đó mômen của động cơ cũng giảm.
Do quán tính của động cơ nên tốc độ không thay đổi đột ngột. Điểm làm việc
chuyển từ điểm a đến điểm b. Tại thời điểm đó, M < M
c
nên hệ giảm tốc. Mặt
khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trợt tăng nên suất điện động cảm ứng
trong rôto E
2
tăng lên. Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho
đến khi M = M
c
thì hệ xác lập nhng với tốc độ mới
2
<
1
. Trạng thái này ứng
với điểm a trên đặc tính điều chỉnh.

Từ phơng trình (3) và (4):

Ta thấy, khi tăng
điện trở rôto thì độ trợt giới hạn s
th
tăng và mômen tới hạn M
th
không đổi.
2. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều
khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp.
Hạn chế dòng điện mở máy do đó làm tăng khả năng mở máy cho
động cơ.
Tự động hóa điều chỉnh tốc độ dễ dàng.
Nhợc điểm
Dải điều chỉnh tốc độ bé.
Tổn hao năng lợng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở R
f
.
Phạm vi ứng dụng

15
)xrr(2
U3
M
2
nm
2
110

2
f
th
++
=

(3)
(4)
22
2
2
th
nm1
2
211
2
xr
'r
)'xx(r
'r
s
+
=
++
=
Z.]]'WH!ATt"*,4
& &H%31!2#
"H#B'
Đ
Đ

E
f

E
f
=
Z
E-E
=I
f

2

2

(8)
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Từ các u, nhợc điểm trên, đây là một phơng pháp đợc sử dụng
rộng rãi, mặc dù đây không phải là phơng pháp kinh tế nhất. Nó
đợc ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng
bộ rôto dây quấn. Phơng pháp này đợc sử dụng trong các hệ thống
có các động cơ không đồng bộ làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn
lặp lại, và thích hợp với các hệ thống yêu cầu tốc độ không cao
nh cần trục, cầu trục
V. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối
tầng
1. Nguyên lý điều chỉnh
Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối tầng đợc
thực hiện bằng cách đa vào rôto của nó một sức điện động E
f

. Sức điện động phụ
này có thể cùng chiều hoặc ngợc chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch
rôto E
2
và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặc
một chiều nh sơ đồ nguyên lý sau:
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này nh sau:
Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lợng từ l-
ới và sinh năng lợng trợt ở mạch rôto
sMP
0s
=
. Khi đa E
f
vào, dòng điện rôto
khi đó
Ta giả thiết M
c
= const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính ứng
với một giá trị E
f
nào đó. Nếu tăng E
f
lên thì dòng I
2
giảm, mômen điện từ của
động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen M
c
, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi
tốc độ giảm, độ trợt tăng làm cho E

2
= E
2nm
s tăng lên. Kết quả là dòng điện rôto I
2
và mômen điện từ tăng lên. Cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng với

16
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
mômen M
c
thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ hơn
trớc.
Khi | E
2
| = | E
f
|, I
2
= 0 động cơ có tốc độ không tải lý tởng
0lt
. Khi E
f
= 0
động cơ làm việc trên đặc tính gần đặc tính tự nhiên.
2. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Chỉ tiêu năng lợng cao do tận dụng đợc công suất trợt ở mạch
rôto.
Nhợc điểm

Mạch điều khiển và mạch động lực phức tạp dẫn đến chi phí vận
hành và sửa chữa lớn. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống
không lớn lắm và mômen của động cơ giảm khi tốc độ giảm
xuống.
Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp điều chỉnh công suất trợt thờng áp dụng cho các
truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm điện năng có ý
nghĩa lớn. Phơng pháp này nên áp dụng cho các truyền động có
số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì thờng ta khởi động
bằng phơng pháp khác cho đến khi tốc độ đến vùng làm việc thì
mới sử dụng phơng pháp này để điều chỉnh tốc độ.
Kết luận:
Từ việc phân tích các u, nhợc điểm của các phơng pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ với động cơ trong yêu cầu của đồ án là động cơ không
đồng bộ ba pha rôto dây quấn ta thấy phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng điện trở
xung rôto là thích hợp nhất.
Chơng II
Chọn và tính toán mạch động lực
A. các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto
dây quấn
P
đm
= 7,5 KW; n
đm
= 695 v/ph; cos
đm
= 0,74; I
1đm
= 20,6 A; E
20

= 254 V;
r
1
= 1,04 ; x
1
= 0,833 ; r
2
= 0,462 ; x
2
= 0,611;

17
2
nm
2
2
1
f
2
x+)
s
'r
+r(
U
='I
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của động cơ J
đ/c
= 0,837
Kgm

2
.
Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U
1
= 380 V; tần số f
1
= 50
Hz.
Hiệu suất của động cơ:
%75,74=%100
74,0.6,20.380.3
10.5,7
=
%100
cosIU3
P
=
3
mđmđ11
mđ



Hệ số trợt của động cơ:
3000
695p
-1=s
60f
np
-1=s

1
Do số đôi cực p là số nguyên, với các giá trị:
p = 3 s = 0,305;
p = 4 s = 0,073;
p = 5 s = - 0,158;
Nh vậy, ta thấy khi p = 4 và khi đó s = 0,073 là hợp lý.
Sức điện động của rôto khi quay ở tốc độ định mức:
V542,18=254.073,0=E
sE=E
2
202

Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình 3, trị số hiệu dụng của dòng điện trong
dây quấn rôto đã quy đổi về stato:
(*)
Tỷ số biến đổi điện áp:
42,1=
254
380.95,0
=k
E
U95,0
=
E
E
=k
e
20
1
20

1
e
MQ
MU
]
_`$ris
]
'
Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số biến đổi dòng điện
bằng tỷ số biến đổi điện áp:

18
Rf
U1=380V
~
AP
K
RN
Đ
Z.]\'WH!AT41!
2?!&'
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
42,1=k=k
ie

]
_]$`h

[
d

\
_'
\
_
P
\
'
\
_]$h\
\
'`$hl\
d
\
_`$rg\

[
?

_?
]
c?d
\
_?
]
c
P
\
'?
\
_`$qggc]$h\

\
'`$l]]
?

_\$`li

[
s
k
_\\`8'
Thay các giá trị trên vào (*) ta có:
A759,15=
065,2+)
073,0
932,0
+04,1(
220
='I
22
2
Dòng điện định mức trong dây quấn rôto:
A377,22=759,15.42,1=I
'I.k=I
2
2i2
B. lựa chọn và tính toán mạch động lực
Động cơ trong yêu cầu của bài toán thiết kế là loại động cơ ba pha sử dụng
điện áp U
1
= 380 V với tần số f

1
= 50 Hz và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách
điều chỉnh xung điện trở mạch rôto. Do vậy, động cơ đợc mắc trực tiếp vào lới
điện ba pha có điện áp U
1
= 380 V với tần số f
1
= 50 Hz.
Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở
phụ mắc vào mạch rôto. Hệ thống điện trở phụ bao gồm ba biến trở R
f
mắc vào ba
pha của dây quấn rôto thông qua hệ thống vành trợt. Sử dụng biến trở trong việc
điều chỉnh tốc độ động cơ là một phơng pháp đơn giản nhng có nhiều nhợc điểm.
Phần lớn các nhợc điểm đều liên quan đến dạng đặc tính cơ mềm và dùng điện trở
nhiều cấp trong mạch lực.

19
K
R
R
x
R
x
R
x
R
x
U
~

Z.]g'WH!AT1!2?!
?!u
?
'
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội

M"HAQ
vw;&[
(;&+0H6![
u;P[
u
k
;1!24&'
I. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto
Để khắc phục một số nhợc điểm quan trọng trên và mở ra khả năng tự động
hóa hệ thống, ngời ta dùng phơng pháp điều chỉnh xung điện trở. Đây là một ph-
ơng pháp phát triển của phơng pháp biến trở. Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp này
nh sau:

20
K
R
R
x
U
~
CL
Z.]h'WH!AT1!2?!
&/)9%2t!'
Đ

Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng điện trở xung R
x
. Để
dùng R
x
ta dùng một điện trở có giá trị không đổi R và một khóa K đóng cắt theo
chu kỳ.
Nếu khóa K là lý tởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân khi đóng là K
kh
=
0 và khi cắt là R
kh
= , thì khi K đóng R
x
= 0, và khi K cắt R
x
=R. Nh vậy, điện trở
phụ trong mạch rôto thay đổi theo chu kỳ từ 0 đến R và trong mạch rôto từ r
2
đến
r
2
+R.
Điện trở điều chỉnh trong trờng hợp này sẽ có một giá trị tơng đơng nằm
giữa 0 và R. Nó phụ thuộc vào tơng quan giữa các thời gian đóng t
đ
và thời gian
cắt t
c

của khóa. Giá trị đó quyết định độ cứng của đặc tính cơ biến trở và trị số tốc
độ của truyền động điện.
Trong thực tế, việc dùng cả ba điện trở xung ở trong mạch rôto làm cho
mạch điều khiển phức tạp và khó điều chỉnh. Vì vậy, ta thờng dùng một điện trở
xung R
x
và một bộ chỉnh lu có sơ đồ nh sau:
Bộ chỉnh lu CL không cần yêu cầu cao về điện áp, do đó ta chọn sơ đồ
chỉnh lu cầu ba pha không điều khiển. Sơ đồ nguyên lý nh sau:

21
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Để dựng đặc tính cơ, ta phải tính đổi mạch một chiều với điện trở tơng đơng
R
tđ
thành mạch xoay chiều ba pha với điện trở R
f
trong mỗi pha, nghĩa là ta phải
quy đổi mạch điện hình 13 thành dạng mạch điện hình 10. Cơ sở để tính đổi là
nhiệt lợng tỏa ra trên điện trở của hai trờng hợp phải bằng nhau.
Đối với sơ đồ hình 13, tại mỗi thời điểm dòng điện I
đ
đều chạy qua hai pha
rôto và mạch điện một chiều. Do đó:
)R+r2.(I.k=)R+r2.(I=P
đt2
2
2
2
clđt2

2
d

(8)
MQ
(

;"#%/=,!"H2!$#9"H2!
B!%&1!3
23,1=
I
I
=k
2
d
cl
'
Đối với sơ đồ hình 10 ta có:

)R+r.(I3=P
f2
2
2

(9)
Nhiệt lợng tỏa ra trong hai trờng hợp là nh nhau, do đó, cân bằng phơng
trình (8) và (9) ta có:

22
K

R
R
x
U
~
Z.]i'WH!AT1!2?!
&'
Đ
đtf
R
2
1
=R
Z.]l'X/A+DPY
1!2?!'
R
K đóng
K cắt
tđ
tc
tck
0
t
Imin
Imax
iđ
ic
Iđ
Ic
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội

)R+r.(I3=)R+r2.(I.k=)R+r2.(I=P
f2
2
2đt2
2
2
2
clđt2
2
d

5,1=23,1=k
22
cl
nên:
(10)
Điều đó có nghĩa là, nếu nối trong mạch một chiều của hình 13 một điện
trở R
tđ
thì đặc tính cơ của động cơ sẽ giống nh khi dùng mạch biến trở hình 10 với
điện trở phụ mỗi pha là R
f
= 0,5R
tđ
.
Điện trở tơng đơng
Ta có thể xác định điện trở tơng đơng R
tđ
khi điều chỉnh xung một cách gần
đúng trên nguyên tắc đẳng trị nhiệt.

Khi khóa K đóng, điện trở mạch vòng qua hai pha rôto còn là 2r
2
nên dòng
điện rôto tăng, còn khi khóa cắt, giá trị là R+2r
2
nên dòng điện rôto giảm.
Do ảnh hởng của dây quấn trong động cơ nên mạch điện có tính cảm, do
vậy dòng điện thay đổi theo quy luật hàm mũ nh hình 14. Khi khởi động, nó tăng
từ 0 theo một đờng răng ca lũy tiến. Sau một thời gian đủ lớn, đờng răng ca đó trở
nên xác lập và có I
max
, I
min
không thay đổi. Trạng thái này gọi là tựa xác lập.
Khi tựa xác lập, phơng trình dòng điện là:

dd
T
t
dminđđ
e).I-I(+I=i
( trong khoảng thời gian t
đ
).

dc
T
t
cmaxcc
e).I-I(+I=i

( trong khoảng thời gian t
c
).
MQ
x
++
$x

;+D?0*94 ([
M

$M

;Yf B*(
'

23
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
2
dd
r2
L
=T
[
R+r2
L
=T
2
dc
Vì tần số đóng cắt đủ lớn nên ta có thể coi t

đ
, t
c
<< T
dd
, T
đc
do đó dòng điện
tăng và giảm theo một đờng có thể coi là đờng thẳng từ I
min
đến I
max
và từ I
max
đến
I
min
. Nh vậy

trong cả hai khoảng thời gian đóng và cắt đều có một giá trị dòng
trung bình.
)I+I(
2
1
=I
minmaxtb
Nhiệt lợng tỏa ra trong toàn mạch trong cả chu kỳ là :

d2
2

tbc2
2
tb
t.r2.I+t).R+r2(I=A

(11)
Mặt khác, nếu coi trong mạch có một điện trở cố định (R
tđ
+ 2r
2
) nào đó
trong suốt cả chu kỳ thì R
tđ
này phải đảm bảo cho dòng điện trong mạch đúng
bằng I
tb
và cũng sẽ tỏa ra một nhiệt lợng đúng bằng
A

:

ck2td
2
tb
t)r2+R(I=A

(12)
M

_

c

'
Cân bằng hai phơng trình (11) và (12) ta có :
ck2đt
2
tbđ2
2
tbc2
2
tb
t).r2+R.(I=t.r2.I+t).r2+R.(I
hay:
ck2đtđ2đck2
t)r2+R(=t.r2+)t-t)(r2+R(
nên:
)-1(R=)
t
t
-1(R=R
ck
đ
đt

(13)
MQ
>
ck
c

t
t
1
=
; ?!.
Nh vậy, điện trở cố định mạch rôto tơng đơng với điện trở xung theo quan
hệ:
)-1(RR
td
=
.
Nếu đã chọn trớc giá trị điện trở R, thì giá trị của điện trở tơng đơng phụ
thuộc vào . Thay đổi ta sẽ có các giá trị của điện trở tơng đơng R
tđ
.
Giá trị có thể thay đổi từ 0 1 bằng ba cách sau:
a. Giữ t
ck
không đổi, thay đổi thời gian đóng khóa t
đ
, gọi là điều rộng.
b. Giữ t
đ
không đổi, thay đổi thời gian t
ck
, gọi là điều tần.
c. Thay đổi cả t
đ
và t
ck

, gọi là điều rộng tần.
Trong thực tế, ngời ta thờng dùng phơng pháp thứ nhất do điều khiển là đơn
giản nhất.

24
Z.]m'HtY+D'
t
0
i
i
2.3
i
2.2
i
2.1
i
d
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Lựa chọn khóa K
Một phần tử quan trọng trong sơ đồ điều chỉnh xung điện trở mạch rôto là
khóa K. Nh ta thấy trên hình 13, tần số đóng cắt của khóa K ảnh hởng đến dòng
điện trong mạch rôto và ảnh hởng đến sự làm việc của động cơ. Khi tần số càng
cao, t
ck
càng nhỏ, dòng điện càng ít mấp mô hơn, do đó động cơ làm việc ổn định
hơn. Tuy nhiên, khi tần số càng cao thì thiết bị làm khóa K càng phải có thời gian
đóng, cắt càng nhỏ, do đó yêu cầu thiết bị tốt hơn, tốn kém hơn. Trong thực tế,
ngời ta thờng đóng khóa K theo tần số trong dải 200 Hz ữ 2000 Hz.
Với tần số đóng, cắt nh vậy, ta không thể dùng các khí cụ cơ hoặc điện-từ-
cơ kiểu rơle- côngtăctơ để làm khóa K. Các thiết bị này có độ tác động nhanh kém

đến mức không thể điều khiển đợc dòng và tốc, chóng h hỏng do tác động ở tần số
tơng đối cao. Hiện nay, ngời ta làm khóa K bằng các van bán dẫn nh tiristor hoặc
tranzitor.
Tiristor thông thờng có các trị số giới hạn cao nhất, chắc chắn, tổn hao dẫn
nhỏ, rẻ tiền nhng mở chậm và chỉ có thể đợc khóa khi triệt tiêu dòng điện tải. Tuy
nhiên, với dải tần số 200 Hz ữ 2000 Hz tiristor thông thờng phù hợp hơn và có thể
chịu đợc điện áp ngợc lớn. Tranzitor lỡng cực thích hợp với dải tần số 20 KHz ữ
100 KHz. Tranzitor trờng thích hợp với dải tần số cao hơn 100 KHz. Tiristor dễ
bảo vệ chống lại các sự cố.
Từ các phân tích trên, với dải tần số 200 Hz ữ 2000 Hz, ta dùng tiristor làm
khóa K là lựa chọn thích hợp nhất.
Nh trong sơ đồ hình 13, dòng điện tải i
d
sau chỉnh lu cầu là dòng điện một
chiều, với tần số đập mạch
Hz300=f6=f
1m
.
Nh trên giản đồ sau, ta thấy, để làm khóa K bằng tiristor ta phải có thêm
tiristor T
1
nữa để khóa tiristor T do tiristor T không thể tự khóa.

25