Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng máy biến tần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ


TRẦN MINH PHƯƠNG




NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
KHI SỬ DỤNG MÁY BIẾN TẦN





KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC





HÀ NỘI - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ


TRẦN MINH PHƯƠNG


NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
KHI SỬ DỤNG MÁY BIẾN TẦN

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC



Người hướng dẫn khoa học:
KS. TRẦN VĂN GIẢNG


HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm khóa luận, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
của các thầy cô giáo trong khoa Vật lý - Trường đại học Sư phạm Hà Nội 2.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới các thầy cô và đặc biệt là thầy
Trần Văn Giảng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành
khóa luận này.
Tuy bản thân đã hết sức cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những hạn
chế, thiếu sót, còn phải hoàn thiện thêm. Vì vậy tôi kính mong nhận được ý
kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc để khóa luận này được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Trần Minh Phương

LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận này được hoàn thành dưới sự nỗ lực của bản thân và sự
hướng dẫn nhiệt tình của thầy Trần Văn Giảng. Tôi xin cam đoan rằng số
liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận là trung thưc và không trùng
lặp với các đề tài khác. Mọi tham khảo dùng trong khóa luận này đều được
chỉ rõ nguồn gốc.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá,
tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.


Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Trần Minh Phương

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sản xuất điện năng toàn cầu 3
Hình 1.2:Tình hình sản xuất điện năng trên thế giới năm 2005 4
Hình 1.3: Động cơ không đồng bộ 9
Hình 1.4: Nguyên lí làm việc của động cơ không đồng bộ 10
Hình 1.5: Tổn thất động cơ 11
Hình 1.6: Họ đặc tính khi thay đổi điện áp U
1
15
Hình 1.7: Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi R
2
’
16
Hình 1.8: Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ khi thay đổi R
1

hoặc X
1
17
Hình 1.9: Đồ thi biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo
luật điều khiển U/f=const 21
Hình 2.1: Một số hình ảnh về máy biến tần…………………………………23
Hình 2.2: Dòng biến tần Altivar 24
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp…………………………… 30
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 31
Hình 2.5: Biểu đồ thống kê điện năng tiêu thụ trong các quá trình và các tòa
nhà hiện 33
Hình 2.6: Đặc tính của hệ truyền động bơm, quạt 35
Hình 2.7: Điều khiển nhờ van đầu vào 36
Hình 2.8: Đặc tính năng lượng và lưu lượng của điều chỉnh van đầu

vào 37
Hình 2.9: Điều khiển van đầu ra…………………………………………….37
Hình 2.10: Đặc tính năng lượng và lưu lượng của điều chỉnh van đầu ra…38
Hình 2.11: Động cơ 2 cấp tốc độ………………………………………….38
Hình 2.12: Đặc tính năng lượng và lưu lượng của động cơ 2 cấp tốc độ……39
Hình 2.13: Đặc tuyến công suất - lưu lượng của quạt 44





Hình 3.14: Đặc tuyến công suất - lưu lượng của bơm………………………44
Hình 3.15: Đặc tuyến năng suất – lưu lượng 45

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Sản xuất điện năm 2007 của các nước công nghiệp hàng đầu (TWh)
Theo IEA………………………………………………………………………4
Bảng 1.2: Tình hình sản xuất điện năng của Việt Nam từ 2000 - 2020………5
Bảng 1.3: Tiêu thụ điện theo ngành trong khoảng thời gian 2006 - 2010…….6
Bảng 1.4: Tiêu thụ điện năng và nhiệt năng cho công nghệ sản xuất xi măng
Bảng 1.5: Các công đoạn sản xuất giấy và năng lượng tiêu thụ…………… 7
Bảng 1.6: Các loại tổn thất ở động cơ không đồng bộ………………………12
















MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn

Lời cam đoan.
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.
MỞ ĐẦU. 1
NỘI DUNG. 3
Chương 1: Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật - Động cơ
không đồng bộ 3
1.1. Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật 3
1.1.1. Tình hình sản xuất điện trên Thế giới 3
1.1.2. Tình hình khai thác điện năng ở Việt Nam 5
1.1.3. Tiêu thụ điện tại Việt Nam 5
1.1.4. Nhu cầu điện trong sản xuất công nghiệp 6
1.1.5. Điện năng trong các quá trình công nghiệp điển hình 6
1.1.6. Điện năng trong đời sống 8
1.2. Các vấn đề liên quan đến điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 8
1.2.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 8
1.2.2. Nguyên lí hoạt động 10
1.2.3. Hiệu suất của động cơ 11
1.2.4. Đặc điểm và ứng dụng của động cơ không đồng bộ 12
1.2.5. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ không đồng bộ.
. 13
1.2.6. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ
ba pha 15
Chương 2: Máy biến tần và khả năng tiết kiệm điện của động cơ không đồng
bộ ba pha khi sử dụng máy biến tần . 23
2.1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp 23
2. 1.1. Máy biến tần . 23
2.1.2. Chức năng và ứng dụng của máy biến tần 25

2.1.2.1. Chức năng . 25
2.1.2.2. Ứng dụng . 26
2.1.3. Tầm quan trọng của máy biến tần trong công nghiệp. 27
2.1.4. Phân loại máy biến tần 29
2.1.4.1. Biến tần trực tiếp 29
2.1.4.2. Biến tần gián tiếp 30
2.1.5. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 31
2.2. Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện của động cơ không đồng bộ khi
sử dụng máy biến tần . . 33
2.2.1. Đặt vấn đề. 33
2.2.2. Đặc tính của các hệ tryền động bơm, quạt 34
2.2.3. Biến tần - Giải pháp tiết kiệm điện năng 36
2.2.3.1. Khả năng tiết kiệm điện năng của biến tần 36
2.2.3.2. Biến tần tiết kiệm điện năng như thế nào 39
2.2.3.3. Tính toán hiệu quả tiết kiệm điện năng 42
2.2.4. Một vài ứng dụng của biến tần để tiết kiệm điện năng 47
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50






1

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Điện năng là nguồn năng lượng cực kì quý báu cho sản xuất và đời
sống. Ngày nay chính sự phát triển của nền kinh tế đã góp phần kéo theo
nhiều cơ sở sản xuất, khu công nghiệp… mọc lên. Chúng ta đều biết trong các
nhà máy thì chi phí điện năng chiếm một tỉ lệ không hề nhỏ. Ở đó các thiết bị
tiêu thụ điện đa số là các động cơ không đồng bộ, chúng có công suất tiêu thụ
điện lớn, lượng điện năng cần cung cấp khi có tải cũng như khi không tải gần
như là tương đương nhau. Vì vậy, việc tìm ra các giải pháp tiết kiệm điện
năng là điều quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất nhằm giảm chi phí,
giảm giá thành và nâng cao được tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị
trường. Đồng thời việc này cũng giúp giảm được việc tiêu tốn tài nguyên
thiên nhiên, góp phần tích cực bảo vệ môi trường.
Trong những năm gần đây, lĩnh vực điều khiển và truyền động điện đã
phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt với sự phát triển của khoa học kĩ thuật điện tử
tin học nói riêng đã khai thác tất cả các ưu điểm nổi bật vốn có của động cơ
không đồng bộ ba pha. Với tốc độ phát triển nhanh của ngành điện tử và tự
động hóa, “Biến tần - khởi động mềm” ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực bởi loại máy này có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ của
động cơ thông qua việc điều chỉnh tần số của nguồn điện cung cấp cho động
cơ khi động cơ làm việc ở các chế độ khác nhau. Chúng được sử dụng trong
các quá trình công nghiệp không những để cải thiện khả năng điều khiển
nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất mà còn tiết kiệm điện năng. Tuy
nhiên, thực tế triển khai dự án tại nước ta cho thấy trong nhiều trường hợp, có
thể tiết kiệm điện năng bằng các thiết bị này chưa được hiểu và đánh giá đúng
dẫn đến thiết kế lắp đặt sai mục đích và hiệu quả kinh tế trong vận hành bị
hạn chế. Các sách giáo khoa về truyền động điện rất ít đề cập đến vấn đề này



2

trong khi tài liệu của nhà sản xuất thường chỉ cung cấp thông số, tính năng
thiết bị. Chính vì những lí do trên đã thúc đẩy tôi chọn đề tài:
“Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng máy biến tần”
làm đề tài khóa luận.
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng máy biến tần để
phục vụ học tập, nghiên cứu và giảng dạy sau này.
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Các loại máy biến tần, động cơ không đồng bộ.
- Ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ ba pha.
1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật - Động cơ
không đồng bộ.
- Ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ ba pha.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến điện năng và máy biến tần.
- Nghiên cứu ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ.
1.6. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
- Làm sáng tỏ sự quan trọng của máy biến tần trong quá trình tiết kiệm
điện năng.
- Luận văn này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và
những người quan tâm.
1.7. CẤU TRÚC KHÓA LUẬN
Khóa luận gồm 2 chương:
Chương 1: Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật -
Động cơ không đồng bộ.
Chương 2: Máy biến tần và khả năng tiết kiệm điện của động cơ
không đồng bộ ba pha khi sử dụng máy biến tần.

3

PHẦN 2. NỘI DUNG
Chương 1: ĐIỆN NĂNG TRONG CUỘC SỐNG VÀ TRONG
KHOA HỌC KĨ THUẬT - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1. Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật
1.1.1. Tình hình sản xuất điện trên thế giới
Điện năng trên thế giới được sản xuất từ nhiều nguồn nhiên liệu khác
nhau. Trong đó nhiên liệu hóa thạch chiếm 64%, năng lượng hạt nhân chiếm
17%, thủy điện chiếm 18%, năng lượng tái tạo chiếm 1% như hình 1.1.


Hình 1.1 Sản xuất điện năng toàn cầu
Tình hình sản xuất điện trên thế giới năm 2005 được biểu diễn trên biểu
đồ hình 1.2. Trong tổng số 16100 TWh thì thủy điện chiếm 15,5%, điện
nguyên tử chiếm 14%, năng lượng tái tạo (không kể thủy điện truyền thống)
chiếm 3,1 % còn lại là nhiệt điện than và dầu khí.

Hình 1.2 Tình hình sản xuất điện năng trên thế giới năm 2005
T

Sản xuất điện thế giới theo nguồn sơ
cấp


Sản xuất điện thế giới 2005
Năng lượng hạt nhân
17%

Nhiên liệu hóa thạch
64%
Năng lượng tái tạo
1%
Thủy điện 18%



4

Sản xuất điện năm 2007 của các nước công nghiệp hàng đầu được nêu
trong bảng sau:
Bảng 1.1. Sản xuất điện năm 2007 của các nước công nghiệp hàng đầu
(TWh)
Theo IEA
STT
Nước
Tổng
Nhiệt
điện
Thủy
điện
Hạt
nhân
NL
mới
1
Hoa Kỳ
4313,3
3085

264,3
808,4
50,1
2
Trung Quốc (2006)
2834,4
2205,1
556,8
50,3
22.2
3
Nhật Bản
1110,4
767,3
84,9
252,3
5,6
4
Nga (2001)
875,4


134,8

5
CHLB Đức
580,6
394,3
26,58
133,2

42,8
6
Canađa
580,7
154,8
385,3
88,6
2,52
7
Pháp
487,6
58,4
62,8
418,6
4,58
8
Hàn Quốc
420,9
279,5
4,9
136,6
4,6
9
Anh
383,7
279,5
8,9
57,2
5,2
10

Italia
347,2
253,0
37,9
0
10,0
1.1.2. Tình hình khai thác điện năng ở Việt Nam
Tiềm năng thủy điện ở Việt Nam rất dồi dào và phân bố trên hầu khắp
các vùng lãnh thổ. Với 2200 sông suối lớn nhỏ có chiều dài từ 10 km trở lên,
đã sản sinh ra tổng tiềm năng kỹ thuật vào khoảng 120 tỷ kWh với công suất
tương đương 30000 MW. Điện năng tăng trưởng với tốc độ 15% và được cho
trong bảng 1.2 sau đây:
Bảng 1.2. Tình hình sản xuất điện năng của Việt Nam
Năm
2000
2005
2008
2010
2015
2020
Công suất đạt
4500
11000
14500
20000
34000
50000

5

( MW)
Điện năng (TWh)
27
53
74
97
170
250
1.1.3. Tiêu thụ điện tại Việt Nam
Những năm gần đây, tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam đạt mức cao,
điều này làm mức sống người dân tăng lên nhưng cũng khiến nhu cầu điện
tăng mạnh theo từng năm, đôi lúc vượt quá khả năng cung cấp hiện tại. Cơ
cấu tiêu thụ điện tại Việt Nam như sau: ngành công nghiệp và kiến trúc
chiếm khoảng 51% ; sinh hoạt 40%; thương nghiệp và dịch vụ 5%; nông
nghiệp, thủy sản 1% và còn lại các ngành khác là 3%.
Mức độ tiêu thụ điện năng tiếp tục gia tăng để có thể đáp ứng được
nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Về cơ cấu tiêu thụ điện công
nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện năng nhiều nhất với tốc
độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện tương ứng trong
năm 2006 và năm 2010. Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai
nhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hóa nhanh của Việt Nam,
từ 42.9% năm 2006 thành 38.2% năm 2010. Phần còn lại dành cho dịch vụ,
nông nghiệp và các ngành khác chiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ
điện năng.
Bảng 1.3. Tiêu thụ điện theo ngành trong khoảng thời gian
2006-2010
(Nguồn: Tổng sơ đồ VII)
STT

Danh mục
2005
(%)
2006
(%)
2007
(%)
2008
(%)
2009
(%)
1
Nông nghiệp
1.3
1.1
1.0
1.0
0.9
2
Công nghiệp
45.8
47.4
50.0
50.7
50.6
3
Dịch vụ
4.9
4.8
4.8

4.8
4.6



6

4
Quản lí và tiêu dùng
43.9
42.9
40.6
40.1
40.1
5
Khác
4.1
3.8
3.7
3.5
3.7
1.1.4. Nhu cầu điện trong sản xuất công nghiệp
Việc tăng trưởng kinh tế kéo theo là sự chuyển đổi từ nền kinh tế lấy
nông nghiệp là trọng tâm sang nền kinh tế công nghiệp và dịch vụ. Cùng với
đó là nhu cầu xây dựng khu công nghiệp, khu đô thị, các trung tâm thương
mại của công ty nước ngoài cho nên nhu cầu điện trong công nghiệp ngày
càng gia tăng. Theo dữ liệu thống kê được, bình quân mỗi năm lượng điện sản
xuất tăng khoảng 13% nhưng nhu cầu điện của Việt Nam được dự đoán mỗi
năm tăng khoảng 16%-17%, vì thế ngành công nghiệp sản xuất điện sẽ nhanh
chóng rơi vào tình trạng cung không đáp ứng cầu. Ngoài ra, sự lão hóa của

thiết bị truyền điện và thiết bị phát điện dẫn đến tình trạng tỉ lệ tổn thất điện
năng cao; là một trong những vấn đề mà ngành điện Việt Nam đang gặp phải.
1.1.5. Điện năng trong các quá trình công nghiệp điển hình.
1.1.5.1. Công nghệ sản xuất xi măng
Quá trình sản xuất xi măng sử dụng hai dạng năng lượng sơ cấp: nhiệt
năng dùng nhiên liệu than hoặc khí đốt và năng lượng cơ được truyền động
bằng điện. Nhiệt năng chiếm khoảng 87% tổng năng lượng. Hai cụm tiêu thụ
năng lượng nhiều nhất trong quá trình sản xuất xi măng là quá trình sản xuất
clinker và quá trình nghiền. Tiêu thụ năng lượng điển hình cho sản xuất xi
măng được cho trong bảng 1.4
Bảng 1.4. Tiêu thụ điện và nhiệt năng cho công nghệ sản xuất xi măng
Công nghệ
Nhiệt năng (GJ/ tấn)
Điện năng (kWh/tấn)
Công nghệ ướt
5,02-5,03
70-125
Công nghệ bán ướt
3,15-3,86
70-125
Công nghệ khô
2,88-3,40
110-125
Công nghệ bán khô
3,10-3,50
110-125



7

1.1.5.2. Công nghệ giấy
Nguyên liệu đầu vào chủ yếu của ngành giấy là gỗ, tre, nứa, bã mía,
rơm… Các công đoạn sản xuất giấy và năng lượng tiêu thụ được cho trong
bảng 1.5
Bảng 1.5. Các công đoạn sản xuất giấy và năng lượng tiêu thụ
Công đoạn
Nhiệt năng tiêu
thụ (GJ/tấn)
Điện năng tiêu
thụ (kWh/tấn)
Chuẩn bị nguyên liệu

30,3
Tạo bột, giải phóng sợi xenlulozo
4,4
406
Tẩy trắng
4,3
159
Sấy bột
4,5
155
Chế tạo giấy thành phẩm
0,7
274
Định hình và ép

238
Sấy thành phẩm

10
21

1.1.6. Điện năng trong đời sống
Trong khu vực sinh hoạt tiềm năng tiết kiệm điện năng còn rất lớn.
Đặc biệt đối với khu vực hành chính công, cần tăng cường tuyên truyền và có
biện pháp khoán gọn tiêu thụ điện trong khu vực hành chính công. Giải pháp
sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả trong sinh hoạt là:
- Sử dụng các trang thiết bị có hiệu suất cao thay thế trang thiết bị có
chỉ tiêu năng lượng lạc hậu, nhằm giảm chi phí năng lượng và góp phần thực
hiện chính sách tiết kiệm năng lượng của nhà nước.
- Áp dụng chính sách giá điện hợp lý trong sinh hoạt nhằm thúc đẩy
việc sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả.
- Áp dụng các chỉ dẫn của Bộ Xây dựng về sử dụng các vật liệu xây
dựng và các trang thiết bị sử dụng nhiều điện năng như: máy điều hòa không



8

khí, các thiết bị cơ khí dùng cho mục đích thông gió, thiết bị chiếu sáng, thiết
bị cung cấp nước nóng, thang máy lắp đặt trong nhà ở để đạt mục đích sử
dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả.
- Hạn chế tối đa sử dụng các thiết bị điện công suất lớn vào các giờ cao
điểm của biểu đồ phụ tải hệ thống điện.
1.2. Các vấn đề liên quan đến điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Khái niệm động cơ không đồng bộ ( ĐC KĐB): Tất cả máy điện xoay
chiều có tốc độ Roto n n
0
gọi là máy điện không đồng bộ. Trong đó:

n
0
= là tốc độ từ trường quay.
1.2.1. Cấu tạo ĐC KĐB
Cấu tạo ĐC KĐB gồm 2 bộ phận chủ yếu là stato và roto, ngoài ra còn
có vỏ máy và nắp máy.
 Stato là phần tĩnh gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn,
ngoài ra có vỏ máy và nắp máy.
* Lõi thép Stato:
- Gồm các lá thép kỹ thuật cách điện có chiều dày (0,3  0,5) mm, dập
theo hình vành khăn, mặt trong có rãnh để đặt dây quấn Stato ghép cách điện
với nhau để giảm dòng fuco, giảm tổn hao.
- Lá thép Stato kết hợp với lõi thép Roto tạo thành mạch từ để dẫn từ
và tạo ra từ trường lớn.
* Dây quấn Stato:
- Dây quấn Stato thường làm bằng dây đồng có lớp cách điện bên
ngoài, tiết diện hình tròn (d), hay hình chữ nhật (axb) tạo thành bối dây. Mỗi
bối dây có thể có nhiều vòng dây và hai cạnh bối dây đặt trong rãnh lõi thép
Stato, các bối dây được ghép nối với nhau tạo thành dây quấn 1 pha.
- Vậy dây quấn Stato là dây quấn 3 pha: gồm 3 bối dây như nhau và
đặt lệch nhau một góc 120 về điện.

p
f60
0



9

* Vỏ máy:
- Thường làm bằng nhôm hoặc bằng
gang dùng để giữ chặt lõi thép và cố
định máy trên bệ.
- Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục
- Vỏ máy và nắp máy còn dùng để
bảo vệ máy.
 Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
* Lõi thép Roto: Gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện dập theo hình tròn và
mặt ngoài có rãnh để đặt dây quấn Roto ghép cách điện với nhau.
* Dây quấn Roto: có nhiều loại, nhưng ở đây ta chỉ xét 2 loại chính:
- Roto lồng sóc: gồm các thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm đặt ở
rãnh lõi thép Roto, hai đầu được nối với nhau bởi 2 vòng ngắn mạch cùng
bằng đồng hoặc cùng bằng nhôm, thường là bằng nhôm. Hiện nay loại Roto
lồng sóc được dùng trong động cơ KĐB phổ biến nhất.
- Roto dây quấn: Dây quấn là dây quấn 3 pha thường nối sao (Y), 3
đầu kia nối với trở fụ (R ). Để nối điện giữa phần quay (dây quấn) và phần
đứng yên (R ), 3 đầu dây quấn nối với 3 vành trượt bằng đồng, tỳ trên 3 vành
trượt là 3 hệ thống chổi than đứng yên nối với R .
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ
trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n
0
. Từ trường quay cắt các thanh dẫn
của dây quấn roto làm cảm ứng lên các thanh dẫn những sức điện động cảm
ứng. Chiều của các đường sức được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, thanh dẫn ghép kín mạch nên sức điện
động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng
f
f

f

Hình 1.3. Động cơ không đồng bộ



10



tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto kéo
roto quay cùng chiều quay của từ trường với tốc độ n
0
.
Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ
(KĐB) hay động cơ xoay chiều.
N


n


S
Hình 1.4: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω
o
(rad/s) hay n
o
(vòng/phút) thì tốc
độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω

o
; n < n
o
). Sai lệch
tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s:
(1.1)
Từ đó ta có:
ω = ω
o
(1 – s) (1.2)
hay n = n
o
(1 – s) (1.3)
với:

(1.4)

(1.5)
f
1
– tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato
Tốc độ ω
o
là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực
cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
o
o
s
  



2n
60


o1
o
2 n 2 f
60 p






11

Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay
chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay
(1.6)
1.1.3. Hiệu suất của động cơ
Động cơ chuyển đổi điện năng thành cơ năng để phục vụ tải nhất định.
Trong quy trình này, năng lượng mất đi được minh hoạ trong hình 1.5

Hình 1.5. Tổn thất động cơ
Hiệu suất của động cơ được xác định bởi tổn thất bên trong chỉ có thể
giảm bằng cách thay đổi thiết kế động cơ và điều kiện vận hành. Tổn thất có
thể thay đổi từ 2%-20%. Bảng 1.6 cho thấy các loại tổn thất ở một động cơ
cảm ứng.
Bảng 1.6. Các loại tổn thất ở động cơ không đồng bộ
Loại tổn thất
Phần trăm tổn thất toàn phần
(100%)
Tổn thất cố định hoặc tổn thất do lõi thép
25
Tổn thất biến đổi: tổn thất stato .R
34
Tổn thất biến đổi: tổn thất rôto .R
21
Tổn thất do ma sát và quấn lại
15
Tổn thất cơ khí của động cơ
5

o
21
np(n
f
6
)
s
0
f



Power input

Motor
Power output


Load



12

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ bao gồm:
• Lão hóa: động cơ mới hoạt động hiệu quả hơn.
• Công suất: Với phần lớn các thiết bị, hiệu suất của động cơ tăng khi làm
việc ở công suất định mức.
• Tốc độ: Các động cơ tốc độ cao hơn thường hiệu quả hơn.
• Nhiệt độ: Động cơ có quạt làm mát hiệu quả hơn so với động cơ có lớp
bảo vệ (SPDP).
• Quấn lại động cơ có thể làm giảm hiệu suất.
1.2.4. Đặc điểm và ứng dụng của động cơ không đồng bộ
1.2.4.1. Đặc điểm
- Mômen mở máy phải lớn để thích ứng với phụ tải.
- Dòng mômen phải nhỏ để khỏi ảnh hưởng đến các phụ tải khác.
- Thời gian mở máy nhỏ để có thể làm việc được ngay.
- Thiết bị mở máy đơn giản, rẻ tiền và ít tốn năng lượng.
1.1.4.2. Ứng dụng
Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha được sử dụng rất rộng rãi trong
sản xuất và sinh hoạt:

- Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng
làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công
cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…
- Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản
phẩm
- Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một
vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh,
trong máy điều hòa…





13

1.2.5. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ không đồng bộ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải
không đổi trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc
của hệ thống thấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng
hiệu quả. Hầu hết thời gian momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu
cầu của tải. Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn.
Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng
động cơ, thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể
làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với
động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ
hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất (PF: Power
Factor) rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng.
Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ
không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tải tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động

cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trong động cơ không
hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh
hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều
động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt
làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng
dụng trước đây các phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sát giữa phần
cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả
và tổn hao nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc
độ như quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình
phương tốc độ, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều



14

chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán
cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất
đầu vào. Mà điều này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử
dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng
điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm
tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh
ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ
khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số
thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto.
Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm
giảm tuổi thọ của động cơ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển

thông minh. Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích
hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự
phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không
đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao.
1.2.6. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto R
f

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1





15

1.2.6.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U
1pha
Điện áp U
1pha
đặt vào động cơ chỉ có thể thay đổi về phía giảm.Khi
U
1pha

giảm rất nhanh thì momen tới hạn cũng giảm rất nhanh theo bình
phương củaU
1pha
, còn tốc độ đồng bộ:
(1.7)
Và độ trượt tới hạn S
th
cũng không thay đổi.









Hình 1.6. Họ đặc tính khi thay đổi điện áp U
1
Nhận xét:
Qua đồ thị ta thấy với một momen cản xác định điện áp lưới càng
giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác vì momen khởi động M
kđ
và
momen tới hạn M
th
đều giảm theo điện áp nên khả năng quá tải và khởi động
bị giảm dần. Do đó nếu điện áp quá nhỏ thì hệ truyền động có thể không khởi
động hoặc không làm việc được.
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 không đổi: quạt gió, máy bơm ly tâm. Không thích hợp với phụ
tải thay đổi.

1

A
B


M
k
0


0





16

1.2.6.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở R
2
’

Trường hợp này chỉ đối với động cơ roto dây quấn vì mạch roto có thể
nối qua vòng trượt ngoài chổi than. Động cơ roto lồng sóc không thể thay đổi
được điện trở mạch roto.
Việc thay đổi được điện trở chỉ có thể thực hiện về việc tăng điển trở
mạch roto R
2
’
. Khi tăng R
2
thì độ trượt tới hạn cũng tăng lên S
th
. Còn tốc độ
đồng bộ ɷ
0
và momen tới hạn M
th
giữ nguyên không đổi.
Các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở của mạch roto được biểu
diễn như hình vẽ. Điện trở mạch roto càng lớn thì đặc tính càng dốc.







Hình 1.7. Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi R
2
’
Nhận xét:

Mặc dù có các ưu điểm như trên nhưng vẫn còn có các nhược điểm sau:
tốc độ ổn định kém và tổn thất năng lượng lớn.
1.2.6.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở R
1
, điện
kháng X
1
ở mạch stato
Trường hợp này cũng chỉ thay đổi về phía tăng R
1
hoặc X
1
. Khi nối vào
mạch stato R
1
hoặc X
1
thì ta thấy tốc độ đồng bộ ɷ
0
không đổi. Còn độ trượt
tới hạn S
th
và momen tới hạn M
th
đều giảm. Hình vẽ biểu thị các đặc tính cơ
nhân tạo.



M