Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc sử dụng biến tần trong dây chuyền sản xuất đá ốp lát tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex

1

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền công
nghiệp còn khá lạc hậu so với thế giới việc áp dụng các dây chuyền tự động hóa,
các máy móc hiện đại như biến tần, PLC, vi điều khiển… vào sản xuất là rất cần
thiết nó góp phần quyết định sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Bởi vậy
những nghiên cứu và ứng dụng của nó là vấn đề mang tính chất cấp thiết.
Cùng với sự phát triển của công nghiệp như hiện nay thì động cơ không
đồng bộ ba pha roto lồng sóc đã có vị trí rất quan trọng trong các dây chuyền sản
xuất. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên
động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc là loại máy được dùng rộng rãi nhất
trong các loại động cơ điện công suất nhỏ và trung bình.
Nhưng có một vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển được tốc độ của
động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Để giải quyết vấn đề này có rất
nhiều phương án điều khiển, nhưng nhìn chung các phương pháp đều có những
ưu điểm và hạn chế của nó, chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như phạm vi
điều chỉnh, năng lượng tiêu thụ, độ bằng phẳng khi điều chỉnh, thiết bị sử
dụng…
Trong các hệ thống sản xuất tự động hóa thì một trong những phương
pháp đang được sử dụng khá phổ biến và được ứng dụng trong dây chuyền sản
xuất đá ốp lát cao cấp tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex là điều
khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số. Các thiết bị chính được sử dụng chủ yếu
để điều khiển là biến tần và không sử dụng PLC (Programmable Logic
Controller). Đây là phương pháp điều chỉnh bằng phẳng, động cơ điện có thể
quay với bất kì tốc độ nào phù hợp với từng loại tải, gọn nhẹ và dễ điều chỉnh.
Tuy nhiên hiện trạng trong công ty Vinaconex là điều khiển tốc độ động cơ băng
chuyền sản xuất bằng biến tần thông qua người vận hành điều chỉnh bằng tay để

cài đặt thông số qua các phím của biến tần. Vì vậy chất lượng điều chỉnh tốc độ


2

2

không cao, khi tải thay đổi thì không kịp thay đổi tốc độ đáp ứng. Do đó chất
lượng sản phẩm và hệ số an toàn cho người công nhân vận hành dây chuyền
không cao.
Với những ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc, ưu
điểm phương pháp thay đổi tần số điều khiển tốc độ sử dụng biến tần, PLC và
thực trạng dây chuyền của công ty Vinaconex, cùng với sự cho phép của bộ môn
và sự đồng ý của công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài “Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng
sóc sử dụng biến tần trong dây chuyền sản xuất đá ốp lát tại công ty cổ phần
đá ốp lát cao cấp Vinaconex”
2. Mục đích đề tài
Tìm hiểu chung về công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
Quy trình công nghệ sản xuất đá tại công ty Vinaconex.
Thực trạng và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
ba pha roto lồng sóc trong dây chuyền sản xuất đá ốp lát tại công ty cổ phần đá
ốp lát cao cấp Vinaconnex.
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto
lồng sóc.
Nghiên cứu vể biến tần trong băng chuyền sản xuất đá ốp lát trong công ty
Vinaconex.
Nghiên cứu cách kết nối, sơ đồ điện của động cơ, biến tần và PLC.
Lựa chọn và tìm hiểu bộ điều khiển PLC S7-200.
Xây dựng mô hình thực nghiệm ở phòng thí nghiệm tự động hóa khoa Cơ điện.

3. Nội dung đề tài
Đề tài gồm có 4 chương
Chương I: Tổng quan về công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
Chương II: Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba
pha roto lồng sóc.


3

3

Chương III: Lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-200 và biến tần điều khiển
trực tiếp tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc trong dây chuyền
sản xuất đá ốp lát tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
Chương IV: Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc và biến tần trong dây chuyền sản xuất đá
ốp lát tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng
Dây chuyền công nghệ sản xuất đá tại công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp
Vinaconex.
Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc.
Biến tần ABB tiêu chuẩn ACS 550.
Encoder HYRE - A - 100ABZ.
Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC S7-200, hãng SIEMENS
(CHLB Đức).
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Dây chuyền sản xuất đá ốp lát của công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp
Vinaconnex và mô hình trong phòng thí nghiệm Tự Động Hóa khoa cơ điện.

4

4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TY CỔ PHẦN ĐÁ ỐP LÁT CAO CẤP
VINACONEX
1.1. Giới thiệu sơ lược về công ty
Ngày 19/12/2002 chủ tịch HĐQT Tổng công ty VINACONEX đã ký
quyết định số 1719 QĐ/VC - TCLĐ thành lập nhà máy Đá ốp lát cao cấp
VINACONEX để thực hiện dự án "Đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất đá nhân
tạo cao cấp sử dụng chất kết dính xi măng và hữu cơ".
Tháng 09/2003: Nhà máy đá ốp lát cao cấp VINACONEX chính thức
được khánh thành, đưa 02 dây chuyền sản xuất đá ốp lát nhân tạo cao cấp đi vào
hoạt động gồm:

• Dây chuyền sản xuất đá ốp lát cao cấp nhân tạo sử dụng chất kết
dính hữu cơ - Bretonstone.

• Dây chuyền sản xuất đá ốp lát cao cấp nhân tạo sử dụng chất kết
dính xi măng Terastone.
Ngày 01/09/2004: Lô hàng xuất khẩu đầu tiên rời nhà máy sang Úc, đánh
dấu thời kỳ tăng trưởng xuất khẩu liên tục cho đến ngày hôm nay.
Ngày 17/12/2004: Bộ trưởng Bộ xây dựng ký Quyết định số 2015/QĐ BXD chuyển Nhà máy Đá ốp lát cao cấp VINACONEX thành Công ty cổ phần
Đá ốp lát cao cấp VINACONEX.
Ngày 02/06/2005: VICOSTONE chính thức đi vào hoạt động theo hình
thức công ty cổ phần theo Giấy chứng nhận ĐKKD số 0303000293 do Sở Kế
hoạch và Đầu tư tỉnh Hà Tây (nay là thành phố Hà Nội) cấp, vốn điều lệ đăng ký
là 30 tỷ đồng.

5

5

Ngày 14/03/2007: Đại hội đồng cổ đông thường niên năm 2007 của Công
ty đã thông qua phương án tăng vốn điều lệ từ 30 tỷ đồng lên 100 tỷ đồng, trong
đó Tổng công ty VINACONEX chiếm 51%.
Tháng 10/2007: Liên doanh cùng WK Marble & Granite PTY thành lập
công ty liên doanh STYLE STONE.
Ngày 05/12/2007: Cổ phiếu VICOSTONE được chấp thuận niêm yết tại
trung tâm giao dịch chứng khoán Hà Nội (HASTC) theo quyết định số 670/QĐ TTGDHN của giám đốc trung tâm.
Ngày 17/12/2007, VICOSTONE chính thức khai trương phiên giao dịch
đầu tiên đánh dấu một giai đoạn phát triển mới.
Ngày 22/02/2008: Ủy ban chứng khoán nhà nước đã cấp giấy chứng nhận
đăng kí chào bán số 296/UBCK - GCN đồng ý cho VICOSTONE phát hành
thêm cổ phần tăng vốn điều lệ từ 100 tỷ đồng lên 150 tỷ đồng.
Tháng 04/2008: Thành lập công ty cố phần Đầu tư & Khoáng sản VICO VICOSTONE mine do VICOSTONE giữ cổ phần chi phối.
Ngày 22/05/2008: Việc tăng vốn điều lệ theo Giấy chứng nhận số
296/UBCK - GCN hoàn thành với số lượng cổ phiếu chào bán thành công là:
2.950.000 CP.
Ngày 31/07/2008: Hoàn tất thủ tục lưu ký, niêm yết bổ sung đối với
2.950.000 CP phát hành thêm, đưa tổng số cổ phần của VICOSTONE hiện đang
lưu hành tại HASTC lên 12.950.000 CP.
Sản phẩn đá ốp lát nhân tạo VICOSTONE được sản xuất trên dây chuyền
công nghệ hiện đại, tự động hóa, được nhập khẩu độc quyền từ hãng Breton
(Italia), sử dụng công nghệ vật liệu mới cung cấp cho người sử dụng loại sản
phẩm độc đáo, có nhiều tính năng vượt trội so với đá tự nhiên. Có ba loại sản
phẩm độc đáo mang nhãn hiệu VICOSTONE:

• Q - VICOSTONE, vật liệu có độ cứng chỉ sau kim cương:


6

6

Với kích thước khổ lớn (3.000 x 1.400 mm), thiết kế bề mặt, màu sắc theo
ý muốn và các đặc tính về cơ, lý, hóa…nổi trội, sản phẩm đá nhân tạo Q VICOSTONE trở thành một loại nguyên vật liệu lý tưởng cho các công trình xây
dựng công cộng, các công trình nhà ở, hay các công trình công nghiệp trang trí.

• H - VICOSTONE, bước đột phá trong công nghệ đá ốp lát sử
dụng chất kết dính xi măng:
Với các kích thước khuôn khác nhau, bề mặt viên đá không bị trầy xước
trong quá trình sử dụng, có độ cứng của đá thạch anh, màu sắc theo ý muốn, H VICOSTONE trở thành một loại nguyên liệu lý tưởng cho công nghiệp xây
dựng, công nghiệp trang trí…Sản phẩm H - VICOSTONE có thể được sử dụng
lát nền, ốp tường, lát bậc thang…đặc biệt khả năng thi công dễ dàng như sản
phẩm ốp lát thông thường.

• T - VICOSTONE, công nghệ sử dụng chất kết dính xi măng
truyền thống rung ép trong môi trường chân không:
Sản phẩm T - VICOSTONE được sản xuất trên cùng một dây chuyền như
H - VICOSTONE nhưng sử dụng nguyên liệu đá hạt marble và granite, cho phép
người dùng sau khi lát sàn có thể đánh bóng lại bằng máy cầm tay, nâng cao
thẩm mỹ. Bề mặt của T - VICOSTONE gần với đá tự nhiên và sản phẩm này
cũng hoàn toàn thân thiện với môi trường.


7

7

1.2. Bộ máy tổ chức
ĐẠI HỘI ĐỒNG
CỔ ĐÔNG VICOSTONE
HỘI ĐỒNG QUẢN TRỊ VICOSTONE
TỔNG GIÁM ĐỐC VICOSTONE
CÁC PHÓ TỔNG GIÁM ĐỐC VICOSTONE
KẾ TOÁN TRƯỞNG VICOSTONE
BAN KIỂM SOÁT VICOSTONE

Các công ty con
Các phòng
Các đơn vị hạch toán phụ thuộc
CTCP Đầu tư & khoáng sản VICO – VICOSTONE MINE
CTCP chế tác đá Việt Nam - STONE Việt Nam
CTCP
STYLE STONE
Phòng TC - HC
Phòng TC - KH
Phòng KD - XNK
Phòng Vật tư
Phòng Đầu tư
Phòng Kỹ thuật
Phòng QLCL
Ban quan hệ cổ đông
TT Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới R&D
Ban sản xuất
PX BretonStone

PX TeraStone
PX Nghiền sàng


8

8

Hình 1.1: Sơ đồ bộ máy tổ chức tổng công ty VINACONEX
1.3. Quy trình công nghệ sản xuất
Đá cốt liệu và bột mịn, nhựa nền, bột màu…được định lượng theo một
công thức xác định bằng hệ thống nạp liệu (có các cảm biến trọng lượng để xác
định khối lượng từng liệu). Xe Skip đưa nguyên liệu vào máy trộn Mixer, Ring,
sau một thời gian liệu sẽ được đưa xuống băng tải to đến lô ép liệu. Liệu được
đánh tơi và đều nhờ bốn quả lô chia thành hai dàn quả lô trên và dưới (hai quả lô
trong cùng một dàn có tốc độ quay khác nhau và chiều quay ngược nhau hướng
tâm) sẽ được băng tải con đưa vào Distributor để rải đều liệu lên khuôn, sau đó
được đưa vào máy rung ép chân không để tạo hình khối cho sản phẩm, tạo ra độ
dày đặc về mật độ phân bố vật liệu bên trong tấm đá.
Để tấm đá có kết cấu bền vững thì cần phải tạo ra một môi trường. Môi
trường là nơi các phản ứng hóa học xảy ra làm cho các chất kết dính, dính kết
các hạt cốt liệu lại với nhau nhưng cũng không làm thay đổi hình dáng của tấm
đá. Đó chính là lò dưỡng hộ. Nhiệt độ trong lò dưỡng hộ phải đạt từ 110 o ÷ 130o.


9

9

Sau một khoảng thời gian 30 phút tấm đá ra khỏi lò dưỡng hộ có nhiệt độ cao

nên được đưa đến hầm làm mát và được bảo quản trong khoảng 24 giờ (đá bán
thành phẩm). Dây chuyền tạo ra viên đá bán thành phẩm gọi dây chuyền tạo
hình.
Để có được tấm đá chất lượng, đạt tiêu chuẩn, có tính thẩm mỹ thì các
viên đá bán thành phẩm được đưa vào dây chuyền xử lý tấm (dây chuyền hoàn
thiện). Tại đây các tấm đá được cắt bavia dọc và bavia ngang sau đó được mài
định cỡ mặt sau và mặt trước. Hệ thống các đầu mài thô, mài tinh, mài bóng sẽ
cho chúng ta một tấm đá thành phẩm đạt tiêu chuẩn.
Ta có thể khái quát nguyên lý sản xuất tấm đá Breton bằng sơ đồ khối như
sau:

Cân định lượng tỷ lệ cốt liệu
Trộn & Xử lý hỗn hợp
(đá cốt liệu, nhựa nền, bột màu)
Chia liệu, tạo hình cho tấm đá
Rung ép chân không
Dưỡng hộ, làm mát
Đá cốt liệu, Resin, Silan, Coban, Catalyst, bột màu, bột gió…
Đá
bán thành phẩm
DÂY CHUYỀN TẠO HÌNH

Cắt Bavia ngang & dọc
Xử lý mặt trước của tấm đá
(Mài thô, mài tinh, mài bóng)
Đá
bán thành phẩm
Đá
thành phẩm
Xử lý mặt sau của tấm đá

(Mài định cỡ)
DÂY CHUYỀN HOÀN THIỆN


10

10

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý sản xuất tấm đá Breton
1.4. Thực trạng và các giải pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
ba pha roto lồng sóc trong dây chuyền sản xuất đá ốp lát tại công ty cổ phần
đá ốp lát cao cấp Vinaconex
1.4.1. Thực trạng
Những ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc mang
lại. Hiện nay trong các dây chuyền sản xuất đá nói chung và hệ thống băng tải
nói riêng trong công ty cổ phần đá ốp lát cao cấp Vinaconex đều sử dụng các
động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc cồng suất từ 1,5 đến 400Kw. Các


11

11

loại động cơ này đều được sản xuất bởi công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt
nam - Hungari.
Động cơ trong các hệ thống băng tải trong dây chuyền sản xuất đá của
công ty đều được điều khiển bằng biến tần ABB do các kỹ sư và công nhân điều
khiển thay đổi tần số một cách trực tiếp trên màn hình nút bấm của biến tần. Do
không sử dụng PLC và encoder ghép nối với biến tần nên khi thay đổi sản phẩm
sản xuất tức là thay đổi tải, biến tần không thể tự động thay đổi được tần số phù

hợp với tải mà phải thay đổi bằng tay. Như vậy quá trình thay đổi tần số trực tiếp
không qua PLC và encoder dễ xảy ra tình trạng quá tải hay non tải cho động cơ,
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, sự an toàn cho người công nhân vận hành.
1.4.2. Giải pháp
Sử dụng thêm encoder gắn trên trục động cơ, ghép nối biến tần với PLC
và encoder để điều chỉnh tốc độ động cơ một cách tự động theo sự tăng giảm
thay đổi của của tải. Từ đó có thể điều chỉnh sự tương thích tốc độ động cơ phù
hợp với tải.
1.5. Kết luận
Qua một thời gian thực tập tại công ty, tìm hiểu bộ máy tổ chức của công
ty đặc biệt là tìm hiểu quy trình sản xuất, thực trạng phương pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc, em nhận thấy cần nâng cấp thiết
bị cho phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ của công ty nhằm nâng cao năng
suất lao động và an toàn cho người vận hành.

Chương 2
CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC


12

12

2.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
Vào năm 1820, Hans christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm
nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường dòng điện. Một năm sau đó, Michael
Faraday đã khám phá ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời.
Năm 1831 Faraday tiếp tục phát hiện ra cảm ứng điện từ. Đến năm 1833 thì
Tesla phát minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều.

Các động cơ được chia thành hai loại: Động cơ điện một chiều và động cơ
điện xoay chiều. Trong đó động cơ xoay chiều gồm động cơ đồng bộ và động cơ
không đồng bộ. Cho đến nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các
lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla.
Động cơ không đồng bộ gồm hai loại: Động cơ không đồng bộ Roto dây
quấn và động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc (ngắn mạch).
Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc là dòng động cơ với khả
năng chịu quá tải lớn, chúng được thiết kế đặc biệt với chế độ làm việc ngắn hạn,
số lần khởi động và phanh hãm cao cùng với khả năng chịu rung động và va đập.
Kết cấu đơn giản hơn so với loại động cơ roto dây quấn, trong quá trình vận
hành sử dụng ít phải bảo dưỡng bảo trì. Và với những ưu điểm này nên động cơ
không đồng bộ roto lồng sóc được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế
quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW.
+ Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ 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, các hệ thống băng tải…
+ Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông
sản phẩm.
Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm trên thì động cơ không đồng bộ ba
pha roto lồng sóc vẫn còn tồn tại những hạn chế như hệ thống điều khiển phức
tạp, thông thường phải dùng biến tần để thay đổi tốc độ động cơ.
2.1.1. Cấu tạo


13

13

Cũng như các loại động cơ không đồng bộ khác, động cơ không đồng bộ
ba pha roto lồng sóc cũng gồm các bộ phận chính sau:

+ Phần tĩnh (stator).
+ Phần quay (rotor).
Các bộ phận kết cấu khác bao gồm: Vỏ máy, nắp máy, trục, ổ bi và quạt
gió làm mát …

Hình 2.1: Cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc
(1) Phần tĩnh (stator)
* Vỏ stato: Có nhiệm vụ truyền nhiệt, làm mát và lắp đặt các chi tiết phụ vỏ
phải đảm bảo về độ cứng và độ bền sau khi lắp lõi thép và gia công vỏ.
Vỏ có hai loại, loại gang đúc và loại thép tấm hàn lại.
Loại gang đúc được chia làm hai loại:
+ Loại có gân trong.
+ Loại không có gân trong.
Loại vỏ bằng thép tấm hàn gồm ít nhất là hai vòng thép tấm trở lên và
những gân ngang làm khung.
* Lõi sắt stato: Cấu tạo của lõi sắt phụ thuộc vào đường kính ngoài của nó:


14

14

Nếu đuờng kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn một mét thì dùng tấm nguyên để
làm lõi sắt. Khi đó lõi sắt sau khi ép vào vỏ sẽ có một chốt cố định với vỏ để
khỏi bị quay dưới tác dụng của mômen điện từ.
Nếu đường kính ngoài lớn hơn một mét thì dùng các tấm hình rẻ quạt
ghép lại, khi ấy để ghép chặt lõi sắt thường dùng hai tấm thép dày ép hai đầu, để
tránh lực hướng tâm và lực hút các tấm thường làm những cánh đuôi nhạn hình
rẻ quạt trên các tấm để ghép các tấm vào các gân trên vỏ máy.
(2) Phần quay (rotor)

Nếu đường kính roto không lớn (nhỏ hơn 350mm) thì lõi sắt roto thường
được ép trực tiếp lên trục hoặc ống lồng trục. Phần trong của lá thép cắt ra không
dùng được vào việc gì có giá trị kinh tế lớn mà kết cấu của roto lại được đơn
giản hóa. Việc dùng ống lồng cũng rất hạn chế, chỉ dùng khi cần thiết như động
cơ điện trên tàu điện để thay trục được dễ dàng.
Khi đường kính roto lớn hơn 350 mm đường kính trong roto cố gắng lấy
ra lớn hơn để dùng lõi thép lấy ra sử dụng vào việc khác, do đó cần có giá đỡ
roto.
Khi đường kính roto lớn hơn 1000 mm thì dùng các tấm tôn silíc hình rẻ
quạt ghép lại. Khi đó dùng giá đỡ roto hình sao, giá đỡ roto trong các máy lớn
thường làm bằng thép tấm ghép lại. Lõi sắt thường được ép chặt với áp suất từ 5
kg/cm2 đối với cỡ trung, đến 10 kg/cm2. Với máy cỡ nhỏ và phải có vòng ép để
giữ chặt áp suất đó, để tránh lõi sắt ở hai đầu bị tản ra thì trong các máy nhỏ
thường dùng những tấm thép dày 1,5 mm ép lại. Trong máy lớn thường dùng
những tấm ép có răng, răng phải tán hay hàn vào lá thép ép để khi quay không
văng ra.
Roto động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc thường có rãnh và được
đúc đầy trong rãnh roto là các thanh dẫn bằng nhôm hoặc đồng, các thanh dẫn
này dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng


15

15

nhôm hoặc đồng làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Trong
máy điện cỡ nhỏ rãnh roto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục.
(3) Quạt gió
Nhiệm vụ của quạt gió là tạo ra một áp suất đủ lớn để đưa dòng khí cần
thiết qua hệ thống thông gió của máy để làm mát máy.

Quạt được gắn trên trục động cơ, tốc độ của quạt là tốc độ của động cơ,
kích thước của quạt bị giới hạn bởi kết cấu của động cơ, trong máy điện thường
có ba loại quạt thường dùng: Quạt ly tâm, quạt hướng trụ và quạt hỗn hợp ly tâm
và hướng trục, nhưng thông dụng nhất vẫn là quạt ly tâm.
Ở quạt ly tâm khi cánh quạt quay không khí ở giữa khe các cánh quạt bị
đẩy ra ngoài dưới tác dụng của lực ly tâm, do đó ở vùng vòng trong của cánh
quạt nơi lỗ gió vào tạo thành vùng không khí loãng còn vùng ngoài của vòng
ngoài cánh quạt nơi thoáng gió ra có áp suất cao, quạt ly tâm được dùng nhiều
trong máy điện vì tạo được áp suất khí cao phù hợp với đặc tính của hệ thống
thông gió trong máy điện nhưng nhược điểm của nó là hiệu suát thấp.
(4) Dây quấn
Dây quấn của động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc gồm nhiều
phần tử nối với nhau theo một qui luật nào đó. Phần tử ở đây chính là bối dây và
được đặt vào trong các rãnh phần ứng.
Bối dây có thể chỉ là một vòng dây (dây quấn kiểu thanh dẫn - bối dây
thường chế tạo dạng phần hai, phần tư và tiết diện thường lớn), hoặc gồm nhiều
vòng dây (tiết diện dây nhỏ và gọi là dây quấn kiểu vòng dây). Số vòng dây của
mỗi bối dây, số bối dây của mỗi pha và cách nối phụ thuộc vào công suất, điện
áp, tốc độ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán điện từ. Dây quấn
có các yêu cầu sau:
+ Điện áp ba pha phải bằng nhau, trong dây quấn ba pha điện áp ba pha
lệch nhau 1200 góc độ điện.
+ Điện trở và điện kháng của các mạch song song của ba pha bằng nhau.


16

16

+ Có thể đấu thành các mạch song song khi cần thiết.

+ Dùng vật liệu dây dẫn điện ít nhất, phần đầu nối càng ngắn càng tốt để
thu ngắn chiều dài của máy và đỡ tốn vật liệu.
+ Dễ chế tạo và sửa chữa.
+ Cách điện giữa các vòng dây, các pha và với đất ít tốn kém và chắc
chắn.
+ Kết cấu chắc chắn, có thể chịu được ứng lực cơ khi máy bị ngắn mạch
đột ngột hay khi khởi động.
Dây quấn động cơ có nhiều kiểu: Dây quấn một lớp, hai lớp, dây quấn
đồng khuôn, dây quấn đồng tâm…
(5) Trục động cơ
Ngoài việc phải chịu toàn bộ trọng lượng của roto ra, trục còn chịu
mômen xoắn và mômen uốn trong quá trình truyền động tải, trục còn chịu lực
hướng trục thường là lực kéo như ở các máy kiểu trục đứng. Ngoài những tải
trên, trục còn phải chịu lực từ một phía do khe hở không khí không đều gây ra.
Trục có các yêu cầu sau:
+ Phải có đủ độ bền ở tất cả các tiết diện của trục khi máy làm việc kể cả
khi có sự cố ngắn mạch.
+ Phải có đủ độ cứng để tránh sinh ra độ võng lớn làm rôto chạm stato.
+ Tốc độ giới hạn của trục phải khác nhiều với tốc độ khi máy làm việc
bình thường.
(6) Gối trục
Máy điện có thể dùng gối trục là ổ bi hay ổ trượt. Máy điện nhỏ và vừa
hiện nay dùng ổ bi là chủ yếu, chỉ trong những máy nhỏ yêu cầu không có tiếng
ồn mới dùng bạc. Máy lớn phải dùng ổ bi, ổ bi có các ưu điểm sau là kích thước
nhỏ, kết cấu gọn, độ mài mòn không lớn, bảo dưỡng đơn giản, tổn hao ma sát
nhỏ, điều này rất quan trọng đối với những máy thường khởi động.
2.1.2. Nguyên lý hoạt động


17

17

Động cơ làm việc dựa vào định luật về luật điện từ F tác dụng lên thanh
dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có từ cảm B.
Chiều và độ lớn của lực F được xác định theo tích véc tơ F=i.l.B. Đó chính là
định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng.
Khi động cơ được cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra trong

lõi sắt stato một từ trường quay với tốc độ đồng bộ

n1 =

60 f1
p

(2-1)

(f1 là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực của máy)
Khi từ trường này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi
sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện. Từ thông do
dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe
hở. Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra
mômen. Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng bộ n (n < n 1).
Để chỉ phạm vi tốc độ của động cơ người ta dùng hệ số trượt s, theo định nghĩa
hệ số trượt bằng:
s=

n1 - n
n1

hay

s% =

n1 - n
× 100
n1

(2-2)

Như vậy khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 1, khi n ≈ n1 thì độ trượt s = 0
2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
2.2.1. Phương trình đặc tính cơ
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là
ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng
không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất
trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của
động cơ như hình vẽ 2-2


18

18

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó:
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V).
Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã
quy đổi về stato (A).
Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện

kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) .
Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch
roto đã quy đổi về stato (Ω).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối
quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

M=

3U12 R '2
2


R '2 
sωo  R 1 +
+
X
nm 
s ÷




,[Nm]

Trong đó:
Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2

(2-3)

19

19

2.2.2. Đường đặc tính cơ
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá
trị của M. Đường biều diễn s = f(M) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 2.3, đó là
đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Hình 2.3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

dM
=0
ds

(2-4)

Giải phương trình ta có:

s th = ±

R '2
2
R12 + X nm

(2-5)

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

M th =

3U12
2
2ωo (R 1 ± R12 + X nm
)

(2-6)


20

20

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 (chế độ động cơ) nên giá trị
sth và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ là một đường
cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần
thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại.
Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc
dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và
momen mở máy.

M mm

3U12 R '2
=
ωo (R1 + R '2 ) 2 + X 2nm 

(2-7)

Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng bộ:

ωo =

2πf1
p

(2-8)

2.2.3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ
Khi thay đổi f1 thì theo (2-8) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng thời X1, X2
cũng bị thay đổi (vì X = 2πfL), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s th và
momen tới hạn Mth.
Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn Mth đều tăng
nhưng Mth tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng trở của các
cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng
điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định
mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ.


21

21

u1
= const
f1

(2-9)

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm. Ở vùng f1 > f1dm thì không
thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch
với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
U / f = const để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.

Hình2.4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Hình 2.5: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số nguồn kết
hợp với thay đổi điện áp


22

22

2.3. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
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 nhở 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 chỉnh tốc độ, điều
này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm


23

23

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.
2.4. Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
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 f1.

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay
đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt
đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay
đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng
bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phương
pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f 1.


24

24

2.4.1. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và
số đôi cực từ theo công thức:

ωo =

2πf1
p

(2-10)

Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo
công thức:

ω = ωo (1 − s)

(2-11)

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có
thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được
chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số
nguồn f1. Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của
động cơ. Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo (X=2πfL).
Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp
nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm
việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy người ta đặt ra
vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông
của động cơ không đổi. Từ thông này có thể là từ thông stato Φ1, từ thông của
roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì momen động cơ tỉ lệ với từ
thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ
cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:



Luật U/f không đổi: U/f = const



Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const



Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const



Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I 1 = f(Δω)

2.4.2. Phương pháp điều chỉnh U/f = const
Sức điện động của cuộn dây stato E 1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo
biều thức:


25

25

& − &I Z
& f =U
E& 1 = KΦ
1 1
1
1 1

(2-12)

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó:

Φ1 = K

U1
f1

(2-13)

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U 1/f1 không đổi. Trong

phương pháp U/f = const thì tỷ số U 1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở
định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên
điện trở stato dẫn đến E 1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ
không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
M=

3U12 R '2 / s
R'
ω0 [(R 1 + 2 ) 2 + (X1 + X '2 )2 ]
s

(2-14)

Và momen tới hạn:
M th =

3U12
2ω0 (R1 + R12 + (X1 + X '2 ))

(2-15)

Khi hoạt động ở định mức:
M dm =

2
3U1dm
R '2 / s
R'
'

2
ϖ 0dm [(R 1 + 2 ) 2 + (X1dm + X 2d
m) ]
s

M thdm =

(2-16)

2
3U1dm

2ω0dm (R 1 + R12 + (X1dm + X '2dm ) 2 )

(2-17)

Ta có công thức sau :

a=

f1
f1dm

(2-18)

Với f1 - là tần số làm việc của động cơ, f 1dm - là tần số định mức. Theo luật
U/f= const :