Điều khiển và giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

•

LỜI NÓI ĐẦU

•

LỜI CẢM ƠN


NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………


………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………..

Hưng Yên, ngày … tháng … năm 2011
Giáo viên hướng dẫn 1
Vũ Hồng Sơn

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………


………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………..
Hưng Yên, ngày … tháng … năm 2011

Giáo viên hướng dẫn 2

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………


………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………..
Hưng Yên, ngày … tháng … năm 2011
Giáo viên phản biện

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................................1

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.....................................................................9
PHẦN 1: TỔNG QUAN......................................................................................................11
1. Đặt vấn đề....................................................................................................................11
2. Lịch sử giải quyết vấn đề............................................................................................11
3. Yêu cầu của đề tài.......................................................................................................12
4. Cách thức giải quyết vấn đề........................................................................................12
PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..........................................................................................15
CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA..............................................15


1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha..............................................................15
1.2. Nguyên lý làm việc..............................................................................................17
1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha.........................................17
1.3.1. Phương trình đặc tính cơ.............................................................................17
1.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ..............................................20
1.4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.................20
1.4.1. Điều chỉnh điện áp động cơ.........................................................................21
1.4.2. Điều chỉnh điện trở mạch rôto.....................................................................21
1.4.3. Điều chỉnh công suất trượt..........................................................................21
1.4.4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ.........................................22
1.5. Động cơ sử dụng trong đề tài..............................................................................23
CHƯƠNG 2: BIẾN TẦN MM440..................................................................................24
2.1. Giới thiệu chung..................................................................................................24
2.2. Lắp đặt điện.........................................................................................................25
2.2.1. Thông số kỹ thuật........................................................................................25
2.2.2. Sơ đồ đấu dây...............................................................................................26
2.2.3. Các đầu dây điều khiển................................................................................29
2.3. Cài đặt biến tần....................................................................................................30
2.3.1. Sử dụng màn hình........................................................................................30

2.3.2. Cài đặt thông số nhanh................................................................................32
2.3.3. Cài đặt ứng dụng..........................................................................................34
2.4. Cảnh báo và lỗi thường gặp.................................................................................37
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC.............................................................39
3.1. Cấu trúc và phương thức hoạt động của bộ điều khiển lập trình PLC...............39
3.1.1. Cấu trúc của một PLC..................................................................................39
3.1.2. Phương thức thực hiện chương trình trong PLC.........................................43
3.2. Bộ điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200......................................................44
3.2.1. Các loại PLC S7-200 Siemens....................................................................44
3.2.2. Các vùng nhớ...............................................................................................45


3.2.3. Các phương pháp truy nhập.........................................................................47
3.2.4. Giới thiệu CPU 224XP................................................................................47
3.3. Phần mềm STEP 7 – Microwin và ngôn ngữ lập trình.......................................51
3.3.1. Cài đặt phần mềm STEP 7 – Microwin.......................................................51
3.3.2. Các phần tử cơ bản trong chương trình S7-200..........................................53
3.3.3. Ngôn ngữ lập trình.......................................................................................54
3.4. Tập lệnh trong S7-200.........................................................................................56
3.4.1. Các lệnh tiếp điểm.......................................................................................56
3.4.2. Lệnh so sánh................................................................................................57
3.4.3. Hàm di chuyển dữ liệu MOVE....................................................................58
3.4.4. Hàm chuyển đổi...........................................................................................59
3.4.5. Bộ đếm.........................................................................................................60
3.4.6. Các hàm số học: cộng (ADD), trừ (SUBB), nhân (MUL), chia (DIV)......62
3.4.7. Xử lý tín hiệu tương tự................................................................................63
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀN WINCC................................................................................65
4.1. Giới thiệu chung..................................................................................................65
4.2. Chức năng của WinCC........................................................................................66
4.2.1. Chức năng giám sát......................................................................................66

4.2.2. Chức năng điều khiển..................................................................................66
4.2.3. Chức năng cảnh báo.....................................................................................66
4.2.4. Chức năng lưu trữ dữ liệu............................................................................66
4.3. Một số đối tượng điển hình trong WinCC..........................................................66
4.3.1. Driver kết nối...............................................................................................66
4.3.2. Tags và Tags Group.....................................................................................66
4.3.3. Thiết kết giao diện (Graphic Designer).......................................................67
4.4. Giao tiếp WinCC với S7-200..............................................................................68
PHẦN 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU......................................................72
CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ MẠCH ĐIỆN.......................................................72
1.1. Sơ đồ kết nối PC – PLC – Biến tần.....................................................................72


1.2. Mạch chuyển đổi điện áp.....................................................................................73
CHƯƠNG 2: CÀI ĐẶT BIẾN TẦN – CHƯƠNG TRÌNH TRÊN PLC........................75
2.1. Cài đặt biến tần....................................................................................................75
2.1.1. Cài đặt các tham số cơ bản..........................................................................75
2.1.2. Cài đặt ứng dụng..........................................................................................76
2.2. Chương trình PLC...............................................................................................76
2.2.1. Lưu đồ thuật toán.........................................................................................76
2.2.2. Bảng Symbol................................................................................................78
2.2.3. Chương trình................................................................................................78
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT..............................87
3.1. Yêu cầu giao diện thiết kế...................................................................................87
3.2. Quy trình thiết kế giao diện.................................................................................87
3.2.1. Tạo các tag cần liên kết trong PC Access...................................................87
3.2.2. Thiết kế giao diện trên WinCC....................................................................89
CHƯƠNG 4: HƯỚNG DẪN VẬN HÀNH HỆ THỐNG............................................102
4.1. Điều kiện vận hành hệ thống.............................................................................102
4.2. Vận hành hệ thống.............................................................................................102

4.2.1. Khởi động hệ thống...................................................................................102
4.2.2. Thay đổi tốc độ động cơ và đảo chiều động cơ........................................103
4.2.3. Dừng hệ thống............................................................................................104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................106

•

STT

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ
viết tắt

Dạng đầy đủ tiếng Anh

Dạng đầy đủ tiếng Việt


1
2
3
4
5
6

AC
AC
ADC

AI
AO
Asic

Alternating Current
Accumulators
Analog Digital Converter
Analog Input
Analog Output
Application Specific IC’s

7
8

BCD
BICO

Binary-Coded Decimal
Binector/Conector

9
10
11

BOP
CB
COM

Basic Operator Panel
Comunication Board

Change-over/Common

12
13
14
15
16
17
18

CT
DAC
DI
DIN
DO
DOUT
EEPROM

19
20
21
22
23

FBD
FCC
Fn
HC
IHMI

24
25
26
27
28
29

LAD
LCD
MM440
NC
NO
NPN

30

P

Constant Torque
Digital Analog Converter
Digital Input
Digital Input
Digital Output
Digital Output
Electrical erasable
programmable read-only
memory
Function Block Diagram
Flux Current Control
Fn

High speed Counter
Integrated Human Machine
Interface
Ladder logic
Liquid Crystal Display
MicroMaster 440
Normally Closed
Normally Opened
Negative-PositiveNegative (low active)
Setting parameter

Dòng xoay chiều
Thanh ghi
Bộ biến đổi tương tự/số
Đầu vào tương tự
Đầu ra tương tự
Mạch tích hợp IC đã cài các ứng dụng
cụ thể
Mã BCD
Công nghệ của Siemens kết nối các
khâu khác nhau của hệ điều khiển bên
trong bộ biến tần MICROMASTER
Bảng vận hành cơ bản
Bảng truyền thông
Chân chung của rơle có 1 tiếp điểm
thường đóng và một tiếp điểm thường
mở
Mômen không đổi
Bộ biến đổi số tương tự
Đầu vào số

Đầu vào số
Đầu ra số
Đầu ra số
Bộ nhớ cứng có thể xoá và ghi lại
bằng điện
Dạng khối chức năng
Điều khiển dòng từ thông
Phím chức năng
Bộ đếm tốc độ cao
giao diện người máy
Dạng hình thang
Màn hình tính thể lỏng
Biến tần MM440 của Siemen
Tiếp điểm thường đóng
Tiếp điểm thường mở
Trạng thái tích cực thấp
Thông số cài đặt


31
32

PC
PLC

33
34

PNP
PTC

35
36
37
38
39
40
41

RAM
ROM
SM
STL
VB
VT
WinCC

Personal Compute
Programmable Logic
Controller
Positive-Negative-Positive
Connection for PTC/
KTY84
Random Acess Memory
Read-only Memory
Special Memory
StaTement List
Visual Basic
Variable Torque
Windows Control Center

•
•

Máy tính
Bộ điều khiển lôgic khả trình
Trạng thái tích cực cao
Đầu dây nối cho PTC / KTY84
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
Bộ nhớ chỉ đọc
Vùng nhớ đặc biệt
Dạng liệt kê lệnh
Mômen thay đổi

PHẦN 1: TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trước sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nước ta đã và đang xây dựng
ngày càng nhiều nhà máy đa dạng về công nghệ. Ngành tự động hoá cũng không ngừng
phát triển để đáp ứng nhu cầu của sản xuất. Ứng dụng công nghệ tự động hoá vào trong
sản xuất là xu hướng tất yếu của Việt Nam đang trên con đường phát triển công nghiệp
hoá và hội nhập cùng thế giới. Hiện nay hàng loạt các nhà cung cấp công nghệ đã và
đang phát triển nhiều thiết bị, các chương trình giám sát và điều khiển dây chuyền sản
xuất. Điều này có ý nghĩa rất lớn đến sự phát triển kinh tế, nâng cao chất lượng sản phẩm,
tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm….. Nhưng để có thể sử dụng các thiết bị điều


khiển giám sát một cách hiệu quả mang lại hiệu quả kinh tế cao thì đòi hỏi người sử dụng
cần có quá trình tìm hiểu và nghiên cứu lâu dài.

Là những kỹ sư Tự động hoá trong tương lai, chúng em đã nhận thức rõ được vai
trò của hệ thống điều khiển giám sát trong sản xuất công nghiệp hiện tại. Do đó, chúng
em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp là: “Điều khiển và giám sát tốc độ động cơ không đồng
bộ ba pha” nhằm tiếp cận nhiều hơn tới các thiết bị công nghệ đang được sử dụng trong
các nhà máy, xí nghiệp – nơi làm việc sau khi chúng em ra trường.
•

Lịch sử giải quyết vấn đề

Hiện nay, điều khiển và giám sát được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp
nhằm nâng cao năng suất lao động. Nên vấn đề “Điều khiển và giám sát tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha” đã được các đơn vị, cá nhân nghiên cứu và xây dựng nhiều,
nhưng do vấn đề bảo mật công nghệ nên thường không được công khai kết quả nghiên
cứu. Do đó, chúng em chỉ xin đưa ra lịch sử giải quyết vấn đề này trong phạm vi nhà
trường.
Đề tài: “Điều khiển và giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha” đã đưa
Mặc dù trang thiết bị thực hiện đề tài (PC,PLC,biến tần)là giống nhau,nhưng dựa
trên kết quả thực hiện của nhóm sinh viên ĐK8LC.2 và sự hướng dẫn tận tình của thầy
VŨ HỒNG SỎN ,chúng em đã phân tích và đưa ra lựa chọn,giải pháp thực hiện mới
hoàn toàn cho đề tài của mình.
•

Yêu cầu của đề tài

Yêu cầu chính của đề tài “Điều khiển và giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ
ba pha” là:
• Tìm hiểu tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát (PC – PLC – Biến tần).
• Xây dựng được mô hình điều khiển và giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba

pha sử dụng PLC – Biến tần – Máy tính.

• Cài đặt các tham số cho biến tần.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán, viết chương trình cho PLC S7-200.
• Xây dựng giao diện điều khiển trên máy tính. Giao diện điều khiển và giám sát

trên máy tính có thể hiển thị và thay đổi được tốc độ động cơ.
•

Cách thức giải quyết vấn đề


Dựa trên yêu cầu cụ thể cần đạt được của đề tài, chúng em tiến hành nghiên cứu
trên lý thuyết về hệ thống điều khiển giám sát với các phần tử cơ bản là PC, PLC và biến
tần. Sau quá trình nghiên cứu, tìm hiểu, chúng em đưa ra sơ đồ khối của hệ thống điều
khiển và giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha cùng với chức năng, thiết bị sử
dụng trong từng khối như sau:
•

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát:

•

Chức năng của các khối trong hệ thống:
• Động cơ: Phần tử chấp hành của hệ thống. Động cơ sử dụng trong đề tài là động

cơ không đồng bộ ba pha với các thông số được trình bày rõ trong mục 1.5 (chương 1,
phần 2)
• Biến tần: Dựa trên các yêu cầu điều khiển của PLC, biến tần thực hiện chức năng

điều khiển chạy/ dừng , đảo chiều động cơ, thay đổi tốc độ động cơ. Do những đặc điểm
nổi bật hơn hẳn của biến tần Siemen MM440 (được trình bày rõ trong chương 2, phần 2)

nên chúng em đã lựa chọn sử dụng biến tần MM440 trong đề tài.
• Phản hồi: Thực hiện chức năng đo giá trị tốc độ của động cơ và phản hồi giá trị

tốc độ về PLC. Có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ như sử dụng Encoder, máy phát
tốc, …. Trong đề tài này chúng em sử dụng máy phát tốc vì điều kiện thiết bị sẵn có và
độ chính xác tương đối cao. Máy phát tốc được sử dụng có thông số 30V/1000min-1
• PLC: Thực hiện chức năng điều khiển biến tần, từ đó điều khiển tốc độ động cơ.

Chương trình trong PLC phải thực hiện được các nhiệm vụ sau:
+ Điều khiển ON/ OFF biến tần (chạy/ dừng động cơ), đảo chiều động cơ.


+ Chuyển đổi giá trị tần số đặt trên giao diện điều khiển để điều khiển thay đổi tần
số đầu ra biến tần → thay đổi tốc độ động cơ thông qua các đầu ra tương tự của PLC và
đầu vào tương tự của biến tần
+ Xử lý tin hiệu từ khối phản hồi về → đưa kết quả là tốc độ động cơ lên PC.
Với những kiến thức đã được học về lập trình PLC S7-300 của hãng Siemen nên
chúng em đã lựa chọn PLC của hãng Siemen nhằm tạo điều kiện thuận lợi trong nghiên
cứu dựa trên những kiến thức đã được học. Tuy nhiên, trong đề tài này, chúng em lựa
chọn PLC S7-200 vì lý do kinh tế hơn so với PLC S7-300, PLC S7-200 cũng được sử
dụng khá rộng rãi trong công nghiệp và hơn hết là chúng em muốn mở rộng kiến thức,
khả năng lập trình sang dòng PLC khác. Có nhiều loại PLC S7-200 nhưng chúng em lựa
chọn CPU 224XP để thực hiện đề tài vì môdul CPU 224XP có tích hợp sẵn các đầu vào/
ra tương tự và cổng truyền thông đáp ứng được yêu cầu điều khiển của đề tài.
• PC: Thực hiện giám sát hệ thống. Trong đề tài này, chúng em sử dụng phần mềm

WinCC thực hiện chức năng giám sát hệ thống với một số ưu điểm nổi bật như đã trình
bày ở trên. Để giám sát được hệ thống, PC cần được kết nối truyền thông với PLC và có
thể cài đặt được các phầm mềm giám sát, lập trình. Do đó PC được sử dụng phải có cổng
truyền thông và có cấu hình đáp ứng được yêu cầu của các phần mềm điều khiển và giám

sát.
Kết luận: Qua quá trình tìm hiểu, phân tích đề tài, xây dựng sơ đồ khối và phân
tích chức năng của các khối trong hệ thống “điều khiển và giám sát tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha”. Cuối cùng chúng em đã lựa chọn các thiết bị và phương pháp
giải quyết vấn đề như ở trên. Để hiểu rõ hơn về các thiết bị sử dụng trong đề tài, lý do lựa
chọn các thiết bị trên chúng em xin trình bày Phần 2: Lý thuyết liên quan. Và kết quả
nghiên cứu cụ thể sẽ được trình bày trong Phần 3: Nội dung và kết quả nghiên cứu. Dưới
đây là nội dung chính Phần 1 và 2.


•
•
•

PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi
bật của loại này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ
một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ; vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra
động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang
bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Tuy nhiên, nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống
chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng đối với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu
khởi động xấu hơn.
Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại: Động cơ
rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc (còn gọi là động cơ rôto ngắn mạch).

Cấu tạo động cơ không đồng bộ được trình bày trên (hình 1.1) gồm hai bộ phận chủ
yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.


1: Lõi thép stato
2: Dây quấn stato
3: Nắp máy
4: Ổ bi
5: Trục máy
6: Hộp đầu cực
7: Lõi thép rôto
8: Thân máy
9: Quạt gió làm mát
10: Hộp quạt
Hình 1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
•

Stato (phần tĩnh):

Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stato, ngoài ra còn có vỏ máy
và nắp máy.
• Lõi thép: Lõi thép stato có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện,

được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi
thép được ép vào trong vỏ máy.
• Dây quấn stato: Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách

điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn
ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
• Vỏ máy: Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.

•

Rôto (phần động):
Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy:
• Trục: Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rôto.
• Lõi thép: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như lõi thép stato, lõi thép được ép

trực tiếp lên trục, bên ngoài lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
• Dây quấn rôto: Gồm hai loại là loại rôto dây quấn và loại rôto lồng sóc.

Loại rôto kiểu dây quấn (Hình 1.2): Dây quấn rôto giống dây quấn stato và có số
đôi cực bằng số cực stato. Dây quấn ba pha của rôto thường được đấu hình sao (Y). Ba
đầu kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục. Thông qua chổi than và


vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch rôto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều
chỉnh tốc độ.

a)

b)

Hình 1.2: Rôto kiểu dây quấn (a) và sơ đồ mạch điện tương ứng
Loại rôto kiểu lồng sóc (Hình 1.3): Loại dây quấn này khác 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 bằng đồnh hoặc bằng nhôm, làm thành một cái lồng, người
ta gọi đó là lồng sóc.

Hình 1.3: Rôto kiểu lồng sóc
•

Nguyên lý làm việc

Nối dây quấn stato của động cơ không đồng bộ ba pha vào lưới điện xoay chiều ba
pha, dòng xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ trường quay, quay với tốc độ:
n1 = (1-1)
Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
p là số đối cực từ của động cơ.
Từ trường này quét qua dây dẫn rôto và cảm ứng trong dây dẫn rôto một sức điện
động E2 và sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rôto. Chiều của dòng điện I2 và sức
điện động E2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
E2 = 4,44.f1.w2.kdq2.Φmax

(1-2)


Trong đó: w2, kdq2 là số vòng dây và hệ số dây quấn của rôto.
Φmax là giá trị lớn nhất của từ thông trong mạch từ.
Dây dẫn rôto có dòng I2 nằm trong từ trường quay stato sẽ sinh ra lực điện từ được
xác đinh theo quy tắc bàn tay trái. Tạo mômen quay kéo rôto quay cùng chiều với n1 với
tốc độ n < n1 gọi là động cơ không đồng bộ.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt s được tính theo biểu
thức sau:

s= =

(0 < s < 1, thường thì s = 0,02 ÷ 0,06)

(1-3)

Trong đó: n là tốc độ quay của rôto
n1 là tốc độ quay của từ trường (tốc độ đồng bộ của động cơ)
là tốc độ góc của từ trường quay (tốc độ đồng bộ)
là tốc độ góc của động cơ
•
•

Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
Phương trình đặc tính cơ
Khi nghiên cứu đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta đưa ra một số giả thiết

sau :
• 3 pha của động cơ là đối xứng.
• Các thông số của động cơ 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 bão hoà nên điện
kháng X1, X2 không đổi.
• Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc tải mà

chỉ phụ thuộc 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.

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ
thay thế. Hình 1.4 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ.


Hình 1.4: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ
Trong đó :
Uf : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

I0, I1, I2’: Các dòng điện từ hoá, stato và dòng điện rôto đã quy đổi về stato.
X0, X1, X2’: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và điện kháng tản rôto
đã quy đổi về stato.
R0, R1, R2’: Các điện trở tác dụng của mạch từ hoá, của cuộn dây stato và của rôto
đã quy đổi về stato.
s: Độ trượt của động cơ, được tính theo biểu thức (1-3) ở trên
• Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha ta dựa

vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ. Công suất điện từ chuyển từ stato sang
rôto:
P12 = Mđt . Wr
Mđt là mômen điện từ của động cơ
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ = M
Công suất đó chia làm hai phần :
Pcơ : Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ
ΔP2: Công suất tổn hao đồng trong rôto
P12 = Pcơ + ΔP2
Hay

M= M + ΔP2

Do đó:

ΔP2 = M(W1 -W)= M.W1.S

Mặt khác:

ΔP2 = 3R’2

Nên:

M=

I’2 = với Xnm = X1 + X’2 điện kháng ngắn mạch

Mà

Vậy ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là :
M=

(1-5)

Giải phương trình = 0 ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị, ký hiệu là M th
và sth (mômen và độ trượt tới hạn), cụ thể là :
sth = ±

(1-6)

Thay (1-6) và (1-5) ta được :
Mth =

(1-7)

Trong hai biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng
thái máy phát.
Phương trình đặc tính cơ có thể biểu diễn thuận lợi hơn bằng cách lập tỉ số giữa
(1-5) và (1-7) và biến đổi sẽ được phương trình đặc tính cơ :
M=

(1-8)

Trong đó: a=
Đối với các động cơ công suất lớn thường R 1 rất nhỏ so với Xnm, lúc này có thể bỏ
qua R1, nghĩa là coi R1 = 0, a.= 0 và (1-8) có dạng gần đúng :
M=
Trong đó :

(1-9)
sth = ±
M th = ±

•

(1-10)
(1-11)

Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông số ảnh
hưởng đặc tính cơ bao gồm :
• Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato (nối thêm điện trở phụ R 1f và X1f vào

mạch stato).
• Ảnh hưởng điện trở mạch roto (nối thêm điện trở phụ R 2f vào mạch rôto đối với

động cơ rôto dây quấn).
• Ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới (U1f) cấp cho động cơ.
• Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới (f1) cấp cho động cơ.

Ngoài ra thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc tính cơ
(trường hợp này xảy ra đối với động cơ nhiều cấp tốc độ).
•

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ được cấu tạo phần cảm và
phần ứng không tách biệt. Từ thông cũng như mômen sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham
số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều
chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ
truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:
• Điều chỉnh điện áp cấp động cơ;
• Điều chỉnh điện trở mạch rôto;
• Điều chỉnh công suất trượt;
• Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ.
•

Điều chỉnh điện áp động cơ
• Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato (biểu thức 1-

5), do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp
stato trong khi giữ nguyên tần số.
Để điều chỉnh điện áp động cơ phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều
(ĐAXC). Có thể sử dụng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm
ĐAXC, vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn cả.
• Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay

đổi điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi vì thực hiện dễ dàng và tự động hóa, đặc biệt là
bộ điều chỉnh điện áp dùng thyristor.

• Nhược điểm: Xét về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không

đáng kể nhưng điện áp stato bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ
lớn do đó hiệu suất không cao. Do độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp này không áp
dụng cho động cơ rôto lồng sóc, khi điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cần
nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mômen.
• Ứng dụng: Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà

mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm, ...
•

Điều chỉnh điện trở mạch rôto


• Qua biểu thức (1-6) và (1-7) ta thấy khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto

động cơ không đồng bộ sẽ làm cho s th thay đổi tỷ lệ bậc nhất với điện trở, còn M th thì
không thay đổi vì thế sẽ thay đổi được tốc độ động cơ. Như vậy điện trở phụ càng lớn thì
sth càng lớn làm cho tốc độ động cơ càng nhỏ.
• Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay

đổi điện trở phụ mạch có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ.
• Nhược điểm: Điều chỉnh không triệt để, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong

mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công suất điều chỉnh
lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn.
• Ứng dụng: phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các

động cơ truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không
cao.

•

Điều chỉnh công suất trượt
• Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bắng cách làm mềm đặc tính và để

nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔP s = sPđt được tiêu tán trên mạch
rôto. Ở các hệ thống truyền động điện công suất lướn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để
vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử
dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt hay còn gọi là sơ đồ nối tầng.
• Ưu điểm : Sơ đồ nối tầng có nhiều ưu điểm hơn so với các sơ đồ nối điện trở phụ

vào mạch rôto hoặc thay đổi các thông số của động cơ. Trong các hệ thống nối tầng, công
suất trượt được trả về lưới điện hoặc đưa lên trục động cơ làm tăng công suất kéo của nó.
Bên cạnh đó phương pháp này còn có khả năng điều chỉnh bằng phẳng.
• Nhược điểm : Do hệ thống mắc thêm nhiều tầng và có thêm các đông cơ phụ

MC, FĐ trong mạch làm hệ thống đắt tiền, xét về chỉ tiêu kinh tế thì không phù hợp.
• Ứng dụng: Phương pháp này được sử dụng nhiều trong các truyền động động cơ

điện không đồng bộ dây quấn có công suất lớn.
•

Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ
• Từ biểu thức n1 = và s = = ta thấy khi thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ

thì tốc độ đồng bộ (n1) thay đổi dẫn tới tốc độ động cơ (n) cũng thay đổi.
Mặt khác từ các biểu thức Mth = ± với Xnm = Lnm và = suy ra Mth ~ → khi tăng tần
số nguồn mà vẫn giữ nguyên Uf1 thì mômen tới hạn cực đại M t giảm rất nhiều. Do đó khi

thay đổi tần số f1 thì đồng thời phải thay đổi U 1 theo các quy định nhất định nhằm đảm
bảo sự làm việc tương ứng giữa mômen động cơ và mômen phụ tải. Nghĩa là tỉ số giữa
mômen cực đại của động cơ và mômen phụ tải tĩnh đối với các đặc tính cơ là hằng số.
Như vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một
bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số và điện áp một cách đồng thời. Biến tần là
một bộ điều chỉnh tần số và điện áp được sử dụng khá nhiều hiện nay để thay đổi tốc độ
động cơ.
• Ưu điểm: Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của

hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều, hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng
biến tần có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau, khả năng
điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng. Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau
như các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải ...). Các
thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài...).
• Nhược điểm: Giá thành của một bộ biến tần khá cao và đòi hỏi người vận hành

phải có trình độ.
• Ứng dụng: Dựa trên ưu điểm của biến tần mà ngày nay trong công nghiệp, các

nhà máy sản xuất lớn đều sử dụng một cách mạnh mẽ và mang lại hiệu quả kinh tế rất
cao. Các bộ bến tần này thường được sử dụng cho việc điều chỉnh tốc độ trong truyền
động chính của các máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ động cơ trong các hệ thống băng
tải. Bộ biến tần máy phát đồng bộ được dùng khi cần thiết điều chỉnh tốc độ đồng thời
nhiều động cơ.
Kết luận: Trên đây là các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ ba pha trong thực tế, dựa vào nội dung và ưu nhược điểm của nó, trong đề tài của
chúng em đã chọn điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số vì
phương pháp này có rất nhiều ưu điểm, mang lại độ chính xác cao và đặc biệt nó là
phương pháp ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp – nơi sau này chúng em, những kỹ sư
tương lai có thể vận hành và điều chỉnh chúng.

Hiện nay, thiết bị được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để thay đổi tần số nguồn
cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha là biến tần. Do đó, chúng em lựa chọn biến tần để
điều khiển thay đổi tốc tần số cấp cho động cơ.
•

Động cơ sử dụng trong đề tài


Động cơ sử dụng trong đề tài là loại động cơ không đồng bộ ba pha với các thông
số kỹ thuật chính là:
• Điện áp Δ/Y: 230/ 400V
• Dòng điện: 2/ 1.7 A
• Công suất: 0.37 Kw
• Hệ số công suất cosφ = 0.67
• Tốc độ định mức nđm = 1400 vòng/ phút
• Tần số f = 50Hz

•
•

CHƯƠNG 2: BIẾN TẦN MM440

Giới thiệu chung

Ngày nay việc tự động hoá trong công nghiệp và ổn định tốc độ động cơ đã không
còn xa lạ gì với những người công tác trong lĩnh vực kỹ thuật. Biến tần là một trong
những thiết bị điện tử hỗ trợ đắc lực nhất trong việc ổn định và thay đổi tốc độ động cơ
một cách dễ dàng nhất mà các xí nghiệp đang sử dụng. Các bộ biến tần sử dụng trong
thực tế rất đa dạng, có nhiều chức năng khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng và
được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau. Trong phạm vi đề tài chỉ giới thiệu biến tần

được sử dụng là MicroMaster 440 (MM440) của Siemens (Hình 3.1).


Hình 3.1: Biến tần Siemens MM440
MM440 là loại biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu chuẩn. Khả năng
điều khiển vector ổn định tốc độ hay khả năng điều khiển vòng kín bằng bộ PID có sẵn
đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các hệ thống truyền động quan trọng như các hệ nâng
chuyển, các hệ thống định vị. Không chỉ có vậy, một loạt khối Logic có sẵn lập trình tự
do cung cấp cho người dùng sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiển hàng loạt thao tác
một cách tự động. MM440 phù hợp cho một loạt các ứng dụng truyền động vô cấp tốc độ
trong công nghiệp. Khả năng tổ hợp linh hoạt đem tới cho sản phẩm một dải ứng dụng
rộng rãi. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm: hệ thống băng tải, dệt may, thang máy, thiết bị
nâng hạ và chế tạo máy, bơm, quạt…
MM440 thay đổi điện áp hay tốc độ động cơ xoay chiều bằng cách chuyển đổi điện
áp xoay chiều cung cấp thành dòng điện một chiều sử dụng cầu chỉnh lưu. Điện áp một
chiều này lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với tần số
có thể thay đổi được. Nguồn cung cấp cho biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một
pha hoặc nguồn xoay chiều ba pha.
Nét nổi bật của MicroMaster 440:
• Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt.
• Điều khiển Vector vòng kín (Tốc độ/ Moment).
• Có nhiều lựa chọn truyền thông: Profibus, Device Net, CANopen.


• 3 bộ tham số trong 1 nhằm thích ứng biến tần với các chế độ hoạt động khác

nhau.
• Định mức theo tải Moment không đổi hoặc Bơm, Quạt.
• Dự trữ động năng để chống sụt áp.
• Tích hợp sẵn bộ hãm dùng điện trở cho các biến tần đến 75kW.

•

4 tần số ngắt quãng tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy.

• Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay.
• Tích hợp chức năng bảo vệ nhiệt cho động cơ dùng PTC/ KTY.
• Khối chức năng Logic tự do: AND, OR, định thời, đếm.
• Moment không đổi khi qua tốc độ 0.
• Kiểm soát Moment tải.
•
•

Lắp đặt điện
Thông số kỹ thuật
Các thông số kỹ thuật chính của biến tần MM440 được thể hiện trong bảng sau:
Điện áp và công suất

CT

200V ÷ 240V 1AC ± 10%
200V ÷ 240V 3AC ± 10%
380V ÷ 480V 3AC ± 10%
200V ÷ 240V 1AC ± 10%
Tần số điện vào
Tần số điện ra
Hệ số công suất
Hiệu suất chuyển đổi
Khả năng quá tải
Dòng điện vào khởi
động

Phương pháp điều khiển
Tần số điều chế xung
(PWM)
Tần số cố định
Dải tần số nhảy

0.12
0.12
0.37
0.75

3kW
45kW
75kW
75kW

VT

0.12
0.12
0.12
0.12

3kW
3kW
3kW
3kW

47 đến 63Hz
0 đến 650Hz

≥ 0.7
96 đến 97%
Quá dòng 1.5 x dòng định mức trong 60 giây ở mỗi 300 giây
hay 2 x dòng định mức trong 3 giây ở mỗi 300 giây.
Thấp hơn dòng điện vào định mức
Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm V/f; điều khiển
dòng từ thông FCC.
2KHz đến 16KHz
Tuỳ đặt
Tuỳ đặt