Mô phỏng hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc giữ từ thông không đổi bằng điều chỉnh dòng stator is theo tần số độ trượt f(r)

Mục lục
Lời cám ơn

Trang

Phần mở đầu

5

Chơng 1

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

1.1

Cấu tạo

7

1.1.1

Cấu tạo stator

7

1.1.2

Cấu tạo rotor

8

1.2

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ rotor

8

lồng sóc
1.3

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

10

1.4

ảnh hởng của các thông số đến đặc tính cơ

15

1.4.1

ảnh hởng của sự suy giảm điện áp

15

1.4.2

ảnh hởng của điện trở, điện kháng phụ mạch rotor

16

1.4.3

ảnh hởng của số đôi cực

17

1.4.4

ảnh hởng của tần số lới f1 cấp cho động cơ

17

1.5

Kết luận

18

Chơng 2

Khởi động và các phơng pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ

2.1

Các phơng pháp khởi động

2.1.1

Phơng pháp khởi động trực tiếp

20

2.1.2

Khởi động dùng phơng pháp giảm dòng khởi động

20

2.1.3

Khởi động động cơ có rãnh sâu và động cơ 2 rãnh sâu

24

2.2

Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

26

2.2.1

Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

27

1

20


2.2.2

Điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp tần số

28

2.2.3

Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp mạch rotor

30

2.2.4

Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực

31

Chơng 3

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
giữ từ thông không đổi bằng phơng pháp điều chỉnh
dòng stator is theo tần số trợt rotor f( r)

3.1

Giới thiệu về phơng pháp

32

3.1.1

Ba phơng pháp gián tiếp giữ từ thông stator s = const

3.1.2

Phơng pháp điều khiển trực tiếp từ thông

35

3.2

Các hệ thống truyền động động cơ cấp điện từ bộ biến tần

36

32

điều chỉnh dòng điện
3.3

Tính chất động của hệ thống truyền động khi ổn định từ

40

thông gián tiếp bằng thay đổi dòng stator theo tần số độ trợt
3.4

Kết luận

42

Chơng 4

Mô phỏng hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ
điều chỉnh dòng stator theo tần số độ trợt

4.1

Giới thiệu về Matlab

44

4.2

Bộ biến tần PWM và mô hình trên Matlab

45

4.2.1

Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung

45

4.2.2

Nguyên tắc điều khiển

46

4.2.3

Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung 3 pha

48

4.2.4

Mô hình bộ biến tần trên Matlab

49

4.3

Động cơ dị bộ và mô hình trên Matlab

50

4.3.1

Mô hình toán động cơ dị bộ

50

4.3.2

Mô phỏng động cơ thực hiện và các thông số của nó

57

4.4

Các bộ chuyển đổi hệ toạ độ vector không gian

60

2


4.5

Mô hình trên Matlab của bộ điều chỉnh dòng điện

62

4.6

Mô phỏng động cơ, biến tần và hệ thống tổng hợp

62

4.6.1

Mô phỏng động cơ

62

4.6.2

Mô phỏng bộ biến tần

65

4.6.3

Mô phỏng tổng hợp hệ thống

67

Kết luận

74

Tài liệu tham khảo

75

3


Lời cám ơn
Với những kiến thức đã đợc học tại khoa Điện - Điện tử trờng Đại Học
Dân Lập Hải Phòng cùng với sự chỉ bảo nhiệt tình của các thầy GS TSKH
Thân Ngọc Hoàn và thầy THS Nguyễn Đồng Khang về phơng pháp nghiên
cứu và triển khai công việc em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp đợc giao.
Với tấm lòng nhiệt thành em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy

giáo hớng thầy TH.S Nguyễn Đồng Khang.
Em cũng xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ động viên của các thầy cô
trong tổ bộ môn Điện - Điện tử trờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng cùng sự
cộng tác của các bạn giúp em hoàn thành bản đồ án này.
Mặc dù đã cố gắng, song do thời gian có hạn và kiến thức hạn chế, nên
trong đề tài này em không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong đợc các thầy
cô giáo và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của em đợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng ngày 07 tháng 08 năm 2007
Sinh viên
Bùi Đức Bảo

Phần mở đầu
4


Trong việc nghiên cứu, ứng dụng động cơ - Động cơ không đồng bộ 3
pha rotor lồng sóc đang là lĩnh vực đợc đi sâu nghiên cứu bởi tính khả thi của
nó trong sản xuất và đời sống. Có thể nói, ngày nay trên thị trờng, động cơ
không đồng bộ Rôto lồng sóc đang chiếm u thế tuyệt đối. Với lí do dễ chế tạo,
không cần bảo dỡng, làm việc tin cậy, đơn giản trong vận hành, an toàn, kích
thớc nhỏ hơn nhiều so với động cơ khác có cùng công suất, giá thành hạ... Nhợc điểm còn tồn tại lớn nhất của loại động cơ này đó là dòng khởi động lớn I kđ
= (4 ữ 7) Iđm gây ra quá tải máy biến áp, sụt áp lới, tăng tổn thất của đờng dây,
ảnh hởng tới tình trạng làm việc bình thờng của các thiết bị khác có chung lới
điện. Tuy nhiên cùng với sự phát triển nh vũ bão của kỹ thuật điện tử, vi xử lý
đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với
động cơ không đồng bộ Rôtor lồng sóc.
Ngày nay cùng với sự phát triển ứng dụng thông tin trong khoa học kỹ
thuật đặc biệt trong kỹ thuật điện đang có những bớc tiến nhảy vợt bậc. Một
trong những ứng dụng quan trọng đó là khởi động động cơ bằng biến tần có

điều chỉnh dòng và áp. Vậy tại sao lại sử dụng biến tần vào điều khiển động
cơ? Và tại sao nó lại là bớc nhảy lớn trong ứng dụng các kỹ thuật hiện đại?
Bộ biến tần là một thiết bị biến đổi năng lợng điện từ điện áp u1, tần số
f1 thành năng lợng điện có điện áp u2 và tần số f2. Cùng với sự tiến bộ của
công nghệ vi mạch và những công nghệ tiên tiến khác, sự phát triển của lý
thuyết điều khiển, các hệ thống truyền động điện xoay chiều hiện đại nạp từ
bộ biến tần đã có những đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt cho phép cạnh tranh
với các hệ thống truyền động điện dòng một chiều có nhiều u điểm trớc đây.
Khi sử dụng biến tần ta có thể dễ dàng điều chỉnh các tham số nhờ tính
toán đặt trớc và sự phản hồi trong quá trình làm việc.
Mô phỏng là một phơng pháp nghiên cứu khoa học đang đợc áp dụng
rộng rãi nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin. Mô phỏng giúp chúng ta
nghiên cứu hệ thống một cách chủ động, giải quyết khó khăn khi tiến hành
nghiên cứu xây dựng mô hình thực đồng thời giúp chúng ta tiếp cận với quá
trình ở những góc độ khác nhau.
Hiện nay việc xây dựng mô hình, viết các chơng trình để thực hiện mô
phỏng đã đợc sự trợ giúp rất đắc lực của các phần mềm khác nhau. Nhờ có các
phần mềm đó đã giúp cho công việc mô phỏng hệ thống điện tử công suất

5


ngày một thuận lợi. Trong đề tài này em sẽ sử dụng phần mềm Matlap &
Simulik để xây dựng mô hình và đi mô phỏng.
Trong thực tế công nghiệp việc ứng dụng của các loại động cơ đang là
sự quan tâm hàng đầu.Với sự trợ giúp của phơng pháp mô phỏng đang là giải
pháp tối u để chúng ta có thể nắm phần chủ động khi quyết định lựa chọn xây
dựng mô hình vật lý, đáp ứng đợc các yêu cầu khắt khe của máy công cụ sản
xuất.
Trong đồ án này em đi nghiên cứu Mô phỏng hệ thống truyền động

điện động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc giữ từ thông không đổi bằng
điều chỉnh dòng stator is theo tần số độ trợt f( r) .
Nội dung của đồ án này nh sau:
Chơng 1: Giới thiệu động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Chơng 2: Khởi động và các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Chơng 3: Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc giữ
từ thông không đổi bằng phơng pháp điều chỉnh dòng stator is theo tần số độ
trợt f(r)
Chơng 4: Mô phỏng hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ
điều chỉnh dòng stator theo tần số độ trợt
Sau đây là nội dung của bản đồ án:

Chơng 1
Giới thiệu động cơ không đồng bộ
6


rotor lồng sóc
Căn cứ vào cách thực hiện rotor, ngời ta phân biệt 2 loại: loại rotor lồng
sóc và loại rotor dây quấn. Cuộn dây rotor dây quấn là cuộn dây cách điện,
thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều.
Cuộn dây rotor lồng sóc gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh
của mạch từ rotor, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng
số rãnh. Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền.
1.1 Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc gồm 2 phần cơ bản: phần quay
(rotor) và phần tĩnh (stator). Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí.
Dới đây chúng ta nghiên cứu từng phần riêng biệt.

Hình 1.1. Lá thép stator và rotor động cơ không đồng bộ

1-Lá thép stator; 2-Rãnh; 3-Răng; 4-Lá thép rotor

1.1.1 Cấu tạo của stator.
Stator gồm 2 phần cơ bản: mạch từ và mạch điện.
Mạch từ: Mạch từ của stator đợc ghép bằng các lá thép kỹ thuật có
chiều dày khoảng 0,3 - 0,5mm, đợc cách điện 2 mặt để chống dòng Fucô. Lá
thép stator có dạng hình vành khăn, phía trong đợc đục các rãnh. Để giảm dao
động từ thông, số rãnh stator và rotor không đợc bằng nhau. Mạch từ đợc đặt
trong vỏ máy.

7


ở những máy có công suất lớn, lõi thép đợc chia thành nhiều phần đợc
ghép lại với nhau thành hình trụ bằng các lá thép nhằm tăng khả năng làm mát
của mạch từ. Vỏ máy đợc làm bằng gang đúc hay thép, trên vỏ máy có đúc
các gân tản nhiệt. Để tăng diện tích tản nhiệt. Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có
đế để gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc. Trên đỉnh có móc để
giúp di chuyển thuận tiện. Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên nắp máy còn
có giá đỡ ổ bi. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây.
Mạch điện: Mạch điện là cuộn dây máy điện đợc đặt vào các rãnh của
lõi thép và đợc cách điện tốt với lõi.
1.1.2 Cấu tạo của rotor.
Mạch từ: Giống nh mạch từ stator, mạch từ rotor cũng gồm các lá thép
điện kỹ thuật cách điện đối với nhau. Rãnh của rotor có thể song song với trục
hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ
một số sóng bậc cao. Các lá thép điện kỹ thuật đợc gắn với nhau thành hình
trụ, ở tâm lá thép mạch từ đợc đục lỗ để xuyên trục, rotor gắn trên trục. ở
những máy có công suất lớn rotor còn đục các rãnh thông gió dọc thân rotor.
Mạch điện: Mạch điện của loại rotor này đợc làm bằng nhôm hoặc

đồng thau. Nếu làm bằng nhôm thì đợc đúc trực tiếp vào rãnh rotor, 2 đầu đợc
đúc 2 vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chính vì vậy gọi là
rotor ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì đợc làm thành các thanh dẫn và đặt
vào trong rãnh, hai đầu đợc gắn với nhau bằng 2 vòng ngắn mạch cùng kim
loại. Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rotor này
còn gọi tên là rotor lồng sóc. Loại rotor ngắn mạch không phải thực hiện cách
điện giữa dây dẫn và lõi thép.
1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Khi cung cấp vào 3 cuộn dây 3 dòng điện của hệ thống điện 3 pha có
tần số là f1 thì trong máy điện sinh ra một từ trờng quay với tốc độ là 60f/p. Từ
trờng này cắt thanh dẫn của rotor và stator, sinh ra ở cuộn dây stator sđđ tự
cảm e1 và ở cuộn dây rotor sđđ e2, có giá trị hiệu dụng nh sau:
E1 = 4,44W1f1kcd
E2 = 4,44W2f1kcd
Do cuộn rotor kín mạch, nên sẽ có dòng điện chạy trong các thanh dẫn
của cuộn dây này. Sự tác động tơng hỗ giữa dòng điện chạy trong dây dẫn
8


rotor và từ trờng, sinh ra lực, đó là ngẫu lực (2 thanh dẫn nằm cách nhau đờng
kính rotor) nên tạo ra mô men quay. Mô men quay có chiều đẩy stator theo
chiều chống lại sự tăng từ thông móc vòng với cuộn dây. Nhng vì stator gắn
chặt còn rotor lại treo trên ổ bi, do đó rotor phải quay với tốc độ n theo chiều
quay của từ trờng. Tuy nhiên tốc độ này không thể bằng tốc độ quay của từ trờng, bởi nếu n = ntt thì từ trờng không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có
sđđ cảm ứng, E2 = 0 dẫn đến I2 = 0 và mô men quay cũng bằng không, rotor
quay chậm lại, khi rotor quay chậm lại thì từ trờng lại cắt các thanh dẫn, nên
có sđđ, có dòng và mô men nên rotor lại quay. Do tốc độ quay của rotor khác
tốc độ quay của từ trờng nên xuất hiện độ trợt và đợc định nghĩa nh sau:
s=

ntt n
100 0 0
ntt

Do đó tốc độ quay của rotor có dạng:
n = ntt(1- s)
Bây giờ xem dòng điện trong rotor biến thiên với tần số nào.
Do n ntt nên (ntt - n) là tốc độ cắt các thanh dẫn rotor của từ trờng
quay.
Vậy tần số biến thiên của sđđ cảm ứng trong rotor biểu diễn bởi:
f2 =

( ntt n ) p = ntt ( ntt n ) p = ntt p ( ntt n ) = sf
60

ntt

60

60

ntt

1

Khi rotor có dòng I2 chạy, nó sinh ra một từ trờng quay với tốc độ:
ntt2 =

60 f 2 60 sf1
=

= sntt
p
p

So với một điểm không chuyển động của stator, từ trờng này sẽ quay
với tốc độ:
ntt2s = ntt2 + n = sntt + n = sntt + ntt(1- s) = ntt
Nh vậy so với stator, từ trờng quay của rotor có cùng giá trị với tốc độ
quay của từ trờng stator.

1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

9


Để thành lập phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử
dụng sơ đồ thay thế. Trên hình 1.2 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ
không đồng bộ. Khi nghiên cứu ta đa ra một số giả thiết sau đây:
- 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 của rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện rotor: 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 stator động cơ.
- Bỏ qua tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
- Điện áp lới hoàn toàn hình sin và đối xứng ba pha.
Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ nh
sau:

X1

I1

R1

X'2

I2
Ià

Xà
R'2
s

uf
Rà

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ.
Trong đó:
Uf1 - trị số hiệu dụng của điện áp pha stator
Ià, I1, I2 - các dòng điện từ hoá, stator và dòng điện rotor đã
quy đổi về stator.
Xà, X1, X2 - điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stator
và điện kháng tản rotor đã quy đổi về stator.
Rà, R1, R2 - các điện trở tác dụng của mạch từ hoá của cuộn dây stator
và rotor đã quy đổi về stator.
s - là độ trợt của động cơ.
10

s=

1
1

1 - tốc độ góc của từ trờng quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ:
2f1

1 = p

Trong đó:
f1 - tần số của điện áp nguồn đặt vào stator.
p - số đôi cực từ động cơ
- tốc độ góc của động cơ.



s
F

0

1

ĐC
Rf=0
Rf 0
I1

1

0

I0

I1nm

Hình 1.3 Đặc tính dòng điện stator của động cơ không đồng bộ
Từ phơng trình thay thế này ta tính đợc dòng điện stator


1
1

+
2
2
2
R '2

2
R u+X à
R
+
1
+ X nm

s

I1 = Uf1

(1.3.1)

Xnm = X1 + X2 điện kháng ngắn mạch.
Biểu thức (1.3.1) là phơng trình đặc tính dòng điện stator và có thể biểu
diễn trên hình 1.3.
Từ (1.3.1) ta thấy:
Khi = 0, s = 1 thì I1 = I1nm
Khi = 1, s = 0 ta có:
11




1

= Ià
R2 à + X 2à

I1 = Uf1

(1.3.2)

I1nm - dòng điện ngắn mạch stator

Ià - là dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trờng quay khi động cơ
quay với tốc độ đồng bộ.


1

s
0

Rf=0
Rf 0

I'2

1
0

I2nm

Hình 1.4 Đặc tính dòng điện rotor của động cơ không đồng bộ.
Ta cũng tính đợc dòng điện rotor quy đổi về stator
U f1

I2 =

2

(1.3.3)

R'
2
R1 + 2 + X nm
2


Khi = 1, s = 0 thì I2 = 0
Khi = 0, s = 1 thì I2 = I2nm =

U f1

(R + R )
'

1

2

2

+ X 2 nm

(1.3.4)

Đặc tính dòng điện rotor biểu diễn trên H.1.4. Để tìm phơng trình đặc
tính của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: Công
suất điện từ chuyển từ stator sang rotor:
P12 = Mđt.1
Mđt là mô men điện từ của động cơ.
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ = M.

Công suất đó chia làm 2 thành phần:
Pcơ: Công suất cơ đa ra trên trục động cơ
12


P2: Công suất tổn hao đồng trong rotor
P12 = Pcơ + P2
Hay

M1 = M + P2

Do đó

P2 = M(1 - ) = M1.s

(1.3.5)

Mặt khác P2 = 3I22R2
Nên

3I ' 2 2 R ' 2 / s
M=
1

Thay giá trị I2 đã tính đợc ở trên vào công thức và biến đổi ta đợc
3U ' 2 f 1 R ' 2

M = R + R' 2 + X 2 s
nm

1 1
2

s



(1.3.6)



Biểu thức trên là phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ



s
1

1

2

Sth

TN (Rf=0)
Rf 0

0

Mđm

M

Mth

Hình 1.5 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Ta cũng có thể biểu diễn thuận tiện hơn đặc tính cơ của động cơ không
đồng bộ nh sau:
2M th (1 + asth )
M = s + sth + 2as
th
sth
s

Trong đó:

R1

a= R
2

13

(1.3.7)


Đối với động cơ công suất lớn thờng R1 rất nhỏ so với Xnm, lúc này có
thể bỏ qua R1, nghĩa là coi R1 = 0, asth = 0 và lúc này biểu thức trên có dạng
gần đúng nh sau:
2 M th

M = s + sth
sth
s

Trong đó:

(1.3.8)

R'

2
sth = X
nm

Mth =

3U f 1

2

21 X nm

Nhiều trờng hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng
cách tuyến tính hoá các đặc tính trong đoạn làm việc. Ví dụ ở vùng độ trợt nhỏ
s << sth tỉ số s/sth nhỏ, gần đúng coi s/sth = 0. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn
giản:
2M

th
M= s s

th

Nó chính là đờng tiếp tuyến với đờng đặc tính cơ tại điểm đồng bộ 1:
Đờng 1 trên H.1.5
Cũng có thể tuyến tính hoá đoạn làm việc qua điểm định mức nh đờng 2
trên H.1.5. Phơng trình gần đúng là:
M = Mđms/sđm
Từ dạng đặc tính cơ biểu diễn trên H.1.5 ta thấy độ cứng của đặc tính cơ
biến đổi cả về trị số lẫn dấu tuỳ theo điểm làm việc:
=

M M s
=
.

s

Với đặc tính tuyến tính hoá đờng 1 (H.1.5)
M 2M th
=
s
sth
s
1
=

1

Vậy

=

2M th
1 sth

Tơng tự với đặc tính 2 trên H.1.5

14


=

M th
1 sth

Nh vậy trên đoạn làm việc của đặc tính cơ động cơ không đồng bộ có
giá trị âm và gần nh không đổi.
Đối với đoạn đặc tính s > sth, khi s >> sth bỏ qua sth/s và phơng trình đặc
tính cơ sẽ là:
M=
Và

=

2 M th sth
s

2 M th sth
1 s 2

Trong đoạn này độ cứng là dơng và giá trị của nó biến đổi. Động cơ
không đồng bộ không làm việc trên đặc tính này.
1.4 ảnh hởng của các thông số đến đặc tính cơ
Từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, ta thấy các
thông số ảnh hởng đặc tính cơ bao gồm:
- Bởi điện trở, điện kháng mạch stator (nối thêm điện trở phụ R 1f và
X1f vào mạch stator).
- Bởi sự suy giảm điện áp lới cấp cho động cơ.
- Bởi sự thay đổi tần số lới cấp cho động cơ f1.
Ngoài ra việc thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm
thay đổi đặc tính cơ (đối với động cơ nhiều cấp tốc độ).
Trong phần này ta sẽ lần lợt xét các ảnh hởng trên:
1.4.1 ảnh hởng của sự suy giảm điện áp lới cấp cho động cơ.
Khi điện áp lới suy giảm, mô men tới hạn sẽ giảm bình phơng lần độ
suy giảm của điện áp. Trong khi đó tốc độ đồng bộ 1 giữ nguyên và độ trợt
tới hạn sth không thay đổi. Ta có dạng đặc tính cơ khi điện áp lới giảm trên
H.1.6. Đặc tính này thích hợp với phụ tải bơm và quạt gió không thích hợp với
tải không đổi.

15




s
Uđm

1

TN

u3

0

u2

u1

Mnm3 Mnm2 Mc2 Mnm

M

Hình 1.6 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điệp áp
Ngoài ra đối với động cơ công suất lớn làm việc với phụ tải bơm hoặc
quạt gió, ngời ta dùng phơng pháp tăng dần điện áp đặt vào động cơ để hạn
chế dòng điện khi khởi động.
1.4.2 ảnh hởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stator.
Ta thấy khi nối thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator R 1f và
X1f thì 1 = const, sh giảm Mth giảm nên đặc tính cơ có dạng nh H.1.7.

1

s
0
TN
R1f

X1f

s

1
0

Mnm1 Mnm

M

Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ với Rf và Xf
trong mạch stator
Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mô men khởi động là Mnm thì
đặc tính cơ với Xf trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với Rf.

16


1.4.3 ảnh hởng của số đôi cực p.
Để thay đổi số đôi cực ở stator ta thờng thay đổi cách đấu dây.
2f 1
p

Vì

1 =

Và

= 1(1 - s)

Nếu thay đổi số đôi cực p thì 1 thay đổi, do đó tốc độ động cơ cũng

thay đổi. Còn sth không phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là độ cứng
của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên. Nhng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi
cách đấu dây ở stator động cơ nên một số thông số nh Uf, R1, X1 có thể thay
đổi và do đó tuỳ từng trờng hợp sẽ ảnh hởng khác nhau đến mô men tới hạn
Mth của động cơ. Hình 1.8 biểu diễn sự thay đổi số đôi cực với p 2 = p1/2 và Mth
= const, p1 = const.

12
11


R2

s

p2

R1

p1

p2
p1

M
0

a)

b)

0

M

M

Hình 1.8 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng
bộ a) Mth = const; b) khi p1 = const.
1.4.4 ảnh hởng của thay đổi tần số lới f1 cấp cho động cơ.
Xuất phát từ biểu thức 1 = 2f1/p ta thấy rằng thay đổi tần số sẽ làm
tốc độ từ trờng quay và tốc độ động cơ thay đổi.
- xét trờng hợp khi tăng tần số f 1 > f1đm từ biểu thức mô men biến đổi ta
có:
3 p 2U 2
Mth =
2
8Lnm f1
17


Khi tần số tăng, Mth giảm (với điện áp giữ không đổi), do vậy M th tỉ lệ
với 1/f2.
- Trờng hợp tần số giảm f1 < f1đm, nếu giữ nguyên điện áp U1 thì dòng
điện động cơ sẽ tăng rất lớn (vì tổng trở động cơ giảm theo tần số). Do vậy khi
giảm tần số cần phải giảm điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ
sinh ra đợc mô men nh trong chế độ định mức. Đó là bài toán tìm quy luật tối
u trong chế độ làm việc tĩnh của hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB.
Trên H.1.9 trình bày đặc tính cơ khi f1 < f1đm với điều kiện từ thông
U

1
= const (hoặc gần đúng giữ f = const ) thì Mth đợc giữ không đổi. ở vùng
1

f1 > f1đm, mômen tới hạn Mth tỷ lệ nghịch với bình phơng tần số.

11
12
đm
13
14

f 11
f 12
f 1đm
f 13
f 14

0

M

Mth

Hình 1.9 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ KĐB.
1.5 Kết luận
Từ nguyên lý làm việc và một số đặc tính cơ tự nhiên cũng nh nhân tạo
của động cơ không đồng bộ ta thấy:
Với tần số và tốc độ động cơ không đổi thì mô men tỉ lệ với bình phơng

điện áp stator. Việc điều chỉnh điện áp stator là không triệt để do mọi đặc tính
điều chỉnh đều đi qua điểm không tải lý tởng, tổn thất công suất trợt của động
cơ đều tăng lên nếu giảm tốc độ quay của rotor. Nh vậy truyền động không
đồng bộ điều chỉnh điện áp Stator chỉ thích hợp nhất với các loại tải có mô
men là hàm tăng tốc độ. Ta thấy rằng động cơ không đồng bộ chỉ làm việc với
điện áp định mức nhng với tần số thì có thể vợt quá định mức mà không gặp
trở ngại. Điều này rất cần thiết trong quá trình tìm hiểu về động cơ không
18


đồng bộ Rôto lồng sóc giúp ta tránh đợc một số sai sót trong quá trình vận
hành, giám sát động cơ.
Điều lu ý nữa là khe khí của máy điện không đồng bộ lớn hơn của máy
biến áp (chỗ tiếp xúc của lá thép). Nh vậy dòng không tải của máy không
đồng bộ có giá trị lớn I0 = (0,3 ữ 0,5)Iđm. Do đó để giảm dòng không tải của
động cơ không đồng bộ ta phải giảm khe hở không khí tới mức có thể.
Khi nghiên cứu về các đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ
không đồng bộ nói riêng hay động cơ điện nói chung ta thấy nếu đặc tính cơ
có độ cứng càng lớn thì tốc độ càng ít thay đổi khi mômen thay đổi. Độ cứng
đợc biểu diễn bởi biểu thức: =

M
.


Chơng 2

19

khởi động và các phơng pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Khởi động là quá trình đa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im) vào
trạng thái làm việc (quay) với tốc độ định mức.
2.1 Các phơng pháp khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng
sóc
2.1.1 Phơng pháp khởi động trực tiếp.
Khởi động trực tiếp là quá trình đóng động cơ vào lới không qua thiết bị
phụ nào.
Khi khởi động trực tiếp dòng động cơ rất lớn, có thể gấp nhiều dòng
định mức: I kd = ( 4 ữ 7 ) I dm . Mô men khởi động nhỏ do hệ số công suất cos0
rất nhỏ (cos0 0,1 ữ 0,2). Mặt khác khi khởi động từ thông giảm do điện áp
giảm, mô men khởi động càng nhỏ.
Ưu- Nhợc điểm: Phơng pháp khởi động trực tiếp cho hiệu quả nhanh,
đơn giản. Tuy nhiên dòng khởi động lớn gây ảnh hởng đến các thiết bị khác.
Làm cho nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lợng toả ra ở máy nhiều (máy
có công suất lớn hoặc máy thờng xuyên phải khởi động). Dòng khởi động lớn
cũng gây ra sụt áp lới điện, gây trở ngại cho các phụ tải cùng làm việc với lới
điện. Tuy dòng khởi động lớn nhng mô men khởi động nhỏ mà mô men cản
trục động cơ lớn dẫn tới động cơ có thể không quay, dễ cháy, hỏng.
Phạm vi sử dụng: Phơng pháp khởi động trực tiếp áp dụng cho động cơ
có công suất nhỏ, khởi động nhẹ (mô men cản trên trục động cơ nhỏ).Khi khởi
động nặng ngời ta không dùng phơng pháp này.
2.1.2 Khởi động dùng phơng pháp giảm dòng khởi động.
Dòng khởi động của động cơ đợc xác định bằng biểu thức:

I ngm =

U1

( R1 + R2 )

2

20

(

+ X1 + X

)

' 2
2

(2.1)


Từ biểu thức (2.1) trên ta rút ra đợc các phơng pháp giảm dòng khởi
động
- Giảm điện áp nguồn cung cấp
- Đa điện trở phụ vào mạch rotor
- Khởi động bằng thay đổi tần số (khởi động mềm)
+ Giảm điện áp nguồn cung cấp.
Ngời ta dùng phơng pháp sau đây để giảm điện áp khởi động: dùng
cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu và thực hiện đổi nối sao - tam giác.
Đặc điểm chung của các phơng pháp giảm điện áp là cùng với giảm
dòng khởi động, mô men khởi động cũng giảm. Vì mô men giảm theo tỷ lệ
bình phơng.
a. Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện

Stator.
Khi khởi động trong mạch điện Stator đặt
nối tiếp một điện kháng. Sau khi khởi động xong
đóng cầu dao D2 thì điện kháng bị nối ngắn
mạch.
Do có điện áp giáng trên điện kháng nên
điện áp khởi động trên đầu cực động cơ điện nhỏ
hơn điện áp lới U1. Sau khi thêm điện kháng vào,
dòng khởi động còn lại:
Ikd = k.IL(k < 1); Ukd = k.U1; Mkd = k2.Mk

Hình 2.1 Khởi động bằng
điện kháng

(2.2)

Ưu - Nhợc điểm: thiết bị đơn giản, giảm
dòng khởi động thì Mkđ giảm xuống bình phơng
lần, có kích thớc và trọng lợng lớn.
Phạm vi sử dụng: áp dụng đối với Hình 2.2 Khởi động bằng phương pháp
hạ điện áp bằng biến áp tự ngẫu
những động cơ yêu cầu mô men khởi
động nhỏ. Sử dụng cho động cơ không đồng bộ Rôto ngắn mạch.
b. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp khởi động..

21


Sơ đồ với biến áp tự ngẫu T cho phép khởi động với đặc trng cao. Biến áp
tự ngẫu cho lối ra điện thế thấp hơn lới, thích hợp cho khởi động động cơ.

Biến áp tự ngẫu T, bên cao áp nối với lới điện, bên hạ áp nối với động cơ sau
khi khởi động xong, theo thời gian trễ đặt trớc biến áp tự ngẫu T đợc ngắt ra
khỏi lới điện (Đóng D2, mở D3). Lúc này động cơ vận hành với điện cấp trực
tiếp từ lới.
Có:

Ukđ = KT.U1; KT tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự

ngẫu
kT < 1
Ikđ = kT . IK = K2T . I1 ; MKĐ = K2T . MK ;

(2.3)

Ưu - Nhợc điểm: phơng pháp này cho dòng khởi động nhỏ hơn nhiều.
Nếu hệ số biến áp là k u thì điện áp trên trụ đấu dây của động cơ giảm đi k u lần
so với điện áp định mức, dòng khởi động giảm đi ku lần. Giá thành chế tạo cao.
Với các động cơ có công suất lớn, biến áp tự ngẫu cũng phải có công suất đảm
bảo tơng ứng. Vì vậy kiểu sơ đồ này rất cồng kềnh.
Phạm vi ứng dụng: áp dụng cho động cơ dị
bộ Rôto ngắn mạch, sử dụng để khởi động nhẹ,
động cơ nhỏ.
c. Khởi động bằng phơng pháp /.
Trên H.2.3 biểu diễn quá trình khi khởi động
động cơ bằng phơng pháp đổi nối sao- tam giác.
Phơng pháp này chỉ áp dụng cho động cơ
Hình 2.3 Khởi động bằng phương pháp
vận hành bình thờng đấu tam giác.
bằng đổi nối sao - tam giác
Khi khởi động trực tiếp, động cơ đợc

nối sao (cầu dao ở vị trí số 2), điện áp định mức trên cuộn dây stato U f nhỏ
hơn điện áp lới

(

)

Uf = 1 / 3 .U d ( )

(2.4)

Sau một thời gian ta chuyển cầu dao sang vị trí 1, động cơ đợc nối tam
giác. Khi đấu tam giác điện áp định mức trên cuộn dây stato bằng điện áp lới:
Uf = U ( )
22


(

)

Dòng qua cuộn pha mắc kiểu tam giác bằng: If ( ) = 1 / 3 .I d ()
Nh vậy, với nguồn điện cho trớc, điện áp định mức trên cuộn dây stato

3 lần. Do vậy,

khi khởi động (đấu sao) nhỏ hơn khi làm việc (đấu tam giác)
dòng qua cuộn pha khi đấu sao sẽ nhỏ hơn khi đấu tam giác

I f () = (1

3 ).I f () = (1

3 ).(1

3 lần.

3 ).I d () = (1

3 ).I d ( )

Ưu- Nhợc điểm: Phơng pháp này tơng đối đơn giản nhng mô men giảm
3 lần so với khởi động trực tiếp. Ngoài ra sự thay đổi đột ngột cờng độ dòng
điện khi chuyển từ đấu sao sang tam giác có thể tác động làm bộ bảo vệ quá
tải ngắt mạch.
Phạm vi ứng dụng: Để giảm dòng khi khởi động trực tiếp động cơ lớn,
ta có thể khởi động ban đầu ở kiểu động cơ nối sao, khi động cơ chạy đạt 75%
tốc độ đồng bộ thì chuyển sang đấu tam giác.
Ngoài các phơng pháp khởi động kinh điển trên, ngày nay để cải thiện
khởi động đối với động cơ không đồng bộ Rôto lồng sóc ngời ta còn chế tạo
động cơ lồng sóc hai rãnh và động cơ Rôto lồng sóc rãnh sâu
+ Khởi động bằng phơng pháp tần số.
Do sự pháp triển của công nghệ điện tử, ngày nay ngời ta đã chế tạo đợc
các bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó ta có thể áp
dụng phơng pháp khởi động bằng tần số. Thực chất của phơng pháp khởi động
này nh sau: Động cơ đợc cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp
nguồn cung cấp có giá trị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp,
ta tăng dần tần số và điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ
tăng dần, khi tần số đạt đợc giá trị định mức, thì tốc độ động cơ đạt giá trị
định mức.

Ưu - Nhợc điểm: Phơng pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động
không vợt quá giá trị dòng định mức.
Phạm vi ứng dụng: Ngày nay nó đang đợc ứng dụng rộng rãi trong mọi
lĩnh vực có liên quan đến động cơ.
2.1.3 Khởi động động cơ có rãnh sâu và động cơ 2 rãnh.
23


Nh chúng ta đã biết khởi động động cơ dị bộ bằng đa điện trở vào mạch
rotor là tốt nhất, tuy nhiên với động cơ dị bộ rotor lồng sóc thì không làm đợc
điều đó. Song chúng ta có thể thực hiện khởi động động cơ dị bộ rotor lồng
sóc có đa điện trở vào bằng dùng những động cơ ngắn mạch đặc biệt: động cơ
rãnh sâu và động cơ 2 rãnh.
+ Động cơ rotor lồng sóc 2 rãnh.
Để cải thiện khởi động đối với động cơ dị bộ lồng sóc, ngời ta chế tạo
động cơ lồng sóc 2 rãnh: rãnh công tác làm bằng vật liệu bình thờng, còn rãnh
khởi động làm bằng đồng thau là kim loại có điện trở riêng lớn H.2.5. Từ hình
vẽ ta thấy rằng, độ dẫn từ của từ thông tản rãnh dới lớn hơn rãnh ngoài. Nh
vậy điện trở kháng của các rãnh này rất khác nhau: trở kháng của rãnh dới lớn
hơn của trở kháng của rãnh trên rất nhiều. Khi mới bắt đầu khởi động (s = 1)
trở kháng của rãnh dới lớn, nên dòng điện bị đẩy lên rãnh trên, dòng điện chạy
trong nó nhỏ. ở rãnh trên trở kháng nhỏ nhng điện trở thuần lại lớn, kết quả
làm cho dòng khởi động nhỏ - đó là hậu quả của việc đa thêm điện trở vào
mạch rotor. Khi tốc độ rotor tăng lên, s giảm đi, trở kháng rãnh dới giảm,
dòng điện lại chạy từ rãnh trên xuống rãnh dới. Khi tốc độ đạt giá trị định
mức, thì dòng điện chạy trong thanh trên rất nhỏ.

n

1-Rãnh khởi động

n0
2

3

1
2-Rãnh công tác

M
0
a)

b)

Hình 2.4 a) Động cơ rotor lồng sóc; b) đặc tính cơ của động cơ dị bộ 2
rãnh
Để xác định đặc tính cơ của động cơ 2 rãnh, ta giả thiết rằng 2 rãnh
hoạt động độc lập với nhau. H 2.5 ta có 1 là đặc tính trên, 2 là đặc tính d ới, 3
là tổng hai đặc tính.
+ Động cơ rotor lồng sóc rãnh sâu.
Có cấu trúc khác rãnh thờng và có nhiều loại rãnh khác nhau.
24


Để nghiên cứu tính chất của máy điện rãnh sâu ta chia rãnh ra từng lớp
với chiều cao khác nhau hi. Do trong rãnh có nhôm, nên độ dẫn từ thông tản
quyết định bởi độ dẫn từ trong rãnh. Độ dẫn từ của lớp l biểu diễn bởi:
l =

àhl l
= chl
b

(2.5)

Lớp k tính nh sau:
k =

àhk l
= chk
b

(2.6)

Trong đó l - độ dài lõi rotor.

h

h

a)

h

c)

b)

Hình 2.5 a) Rãnh của động cơ rotor lồng sóc; b) Sự phân bố độ dẫn từ theo

chiều cao của rãnh; c) Sự phân bố dòng điện theo chiều cao của rãnh.

Giá trị dòng điện chạy trong mỗi lớp phụ thuộc vào điện áp và tổng trở
của mỗi lớp.
Kết luận
Qua xem xét, tìm hiểu về một số phơng pháp khởi động của động cơ
không đồng bộ ta thấy khởi động giữ một vai trò rất quan trọng trong việc vận
hành, sản xuất và hiệu quả của động cơ. Theo yêu cầu của sản xuất động cơ
không đồng bộ lúc làm việc bình thờng phải khởi động và ngừng máy nhiều
lần. Có khi yêu cầu mô men khởi động lớn, có khi cần hạn chế dòng khởi
động và có khi lại cần cả hai. Tuỳ theo tính chất của tải và tình hình lới điện
mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ khác nhau.

25