Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ roto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung

§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Lời nói đầu
Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của
cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp. Khi động cơ điện được đưa vào
ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt
được sự tối ưu về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng.
Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin
học, các hệ truyền động điện được phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc
biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện
nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những
đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm
giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động.
Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng truyền động điện xoay
chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có nh ững
vấn đề hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp. Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp
“Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn
bằng phương pháp điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả
các vấn đề của lĩnh vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án
môn tốt nghiệp này mới chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung
nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau:
 Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ ba pha.
 Lựa chọn và tính toán mạch động lực.
 Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển.
 Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng.
Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không th ể tránh kh ỏi
những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các th ầy
và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hướng
dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý ki ến
đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên
cứu tốt nhất trong suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này.

1


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

I.Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha .....................................2
II.Mạch điện thay thế.................................................................................3
III.Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ.......................................5
..............................................................................................................................87

Chương I

Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha
A. mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba
pha
I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha
Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ
cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung,
không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng
khác. Trong đó, động cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ
năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng

và rất nhiều lĩnh vực khác.

2


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc
biệt trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor,
triac…) đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hi ệu quả v à
đưa ra nhiều phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp.
Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi chiếm
tỷ lệ rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung
bình hàng trăm kW. Với những ưu điểm nổi bật của nó như: giá thành h ạ
(chỉ bằng 1/6 động cơ điện một chiều khi có cùng công suất), làm việc tin cậy
chắc chắn, hiệu suất cao… Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực
tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị bi ến đổi
kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ thống. Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ
không đồng bộ như:
Trong công nghiệp thường dùng làm nguồn lực cho máy cán thép lo ại
vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ … Trong
hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghi ệp dùng trong các
trạm bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt h àng
ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như
làm quạt gió, máy bơm nước, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ… Cùng với s ự
phát triển của nền sản xuất điện khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng
dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiện và mở rộng.
Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của

nó. Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có
một số nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cos ϕ thấp, khống chế
các quá trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc
tính khởi động tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó
trong một số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế.
Nói tóm lại, với những ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì
việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng được phát
triển và cải tiến về mọi mặt.
II. Mạch điện thay thế
Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m 1 pha
(thường m1 = 3), trên rôto có dây quấn m2 pha (m2 = 3 đối với động cơ rôto dây
quấn; còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m 2 > 3). Như vậy trong động cơ
không đồng bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có s ự
•
•
liên hệ về cảm ứng từ. Sau khi
đã• phân
tích các quan hệ điện từ ta có được
U
=
E
+
I
1
1
1 (r1 + jx1 );
hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay như sau:
•
•
r'

0 = E'2 - I'2 ( 2 + jx'2 );
s
(I)
•

•

E' 2 = E1 ;
•

•

•

I1 + I'2 = I 0 ;3
•

•

- E1 = I 0 Z m ;


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Dựa vào các phương trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập được mạch
điện thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay như sau:

x1 r1 x'2r2

I1 xm -I'2

U1 r'2(1-s)/

I0 rm

Hình 1. Mạch điện thay thế hình T của động
cơ không đồng bộ.
Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến đổi mạch điện thay
thế hình T thành mạch điện thay thế hình à đơn giản hơn:
C1x1 C1r1

C²1x'2

I1

-I''2
x 1 r1

U1

C²1r'2/s

I00

xm
rm

Hình 2. Mạch điện thay thế hình Ã
của động cơ không đồng bộ.

Trong đó:
•
Z
C1 = 1 + 1 ;
Zm
•

U1

•

I 00 =

•

gọi là dòng điện không tải lý tưởng, nghĩa là dòng điện

C1 Z m
không tải ứng với lúc s = 0;
4


§å ¸n tèt nghiÖp
•

- I' ' 2 =

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

•

- I' 2

gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình Ã.

•

C1
•
Thực tế, C1 chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có th ể coi
•
x
C1 = 1 + 1 = 1 .
xm
Như vậy:
•

•

I' ' 2 = I' 2 ;
•

•

(II)
•

•

•

•

I' '00 = I1 - I' '2 = I1 - I 2 = I 0 ;

Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa:

x1

r1

I1
U1

r'2/s

x'2
-I'2

x 1 r1 x m
I 0 rm

III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
Hình
3.iệMnạthay
ch đth
iệến hình
thay th
hình
n trị số hiệu dụng của

Từ sơ đồ m
ạch đ
à ếđơ
n giảÃnđơ
hóa,
ản đổ
hóai vcề
ủastato
động
dòng điện rôto đãgiquy
I’2clơà:không đồng bộ.
I' 2 =

Uf
r '2
2
( r1 + )2 + x nm
s

(1)

Trong đó:
Xnm = x1 + x’2

điện kháng ngắn mạch.

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng
công suất trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:
P12=Mđt.ω0
Trong đó: Mđt – mômen điện từ của động cơ

Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ, ta ký hiệu:
Mđt = Mcơ = M

5


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa ra trục động cơ P cơ
và công suất tổn hao trong rôto ∆P2 nghĩa là:
P12= Pcơ+ ∆P2
hay
Mω0 = Mω + ∆P2
do đó
∆P2 = M (ω0 - ω) = Mω0s
Mặt khác:
∆P2 = 3I' 22 r ' 2
nên
3I'22 r ' 2
M=
ω0 s
Thay (1) vào phương trình trên ta có phương trình đặc tính cơ:

3U 2f r' 2
r '2
2
ω0 [(r1 + )2 + x nm ]
s

M=

(2)

Kết hợp với phương trình tốc độ ω = ω0 (1 – s) ta có dạng đường cong
đặc tính cơ:

ω
ω0
ω
(s=sth)

0

Mth

M®m

M

Hình 4. Đặc tính cơ của động cơ không
đồng bộ.
Điểm cực trị của đặc tính cơ thường được gọi là điểm tới hạn có tọa
độ [Mth, sth]:

sth =
M th =

r'2

2

r1 + (x1 + x'2 )

2

3U f

2

2ω0 ( r1 +

2

=

r'2
2

r1 + x nm
2

r1 6+ x nm )

2

(3)

(4)

§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Ta có thể viết phương trình đặc tính cơ dưới dạng khác thuận tiện h ơn
bằng cách lập tỉ số giữa (2) và (4) rồi biến đổi ta được:

M=

Trong đó:

a=

2 M th ( 1 + asth )
s s th
+
+ 2asth
s th
s

r1
.
r2

Trong động cơ không đồng bộ thường r1 ≈ r’2 mà sth = 0,1 ÷ 0,2 nên ta có
thể coi asth ≈ 0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx:

M=

2 M th
s
s
+ th
sth
s

Đối với các động cơ có công suất lớn thường r1 << xnm nên ta có:

s th =

r' 2
x nm
2

M th =

(5)

3U f
2ω0 x nm

B. các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có tần số f 1 thì ta có
biểu thức của tốc độ:
ω = ω0 (1 – s)
(6)
Trong đó:
ω tốc độ quay của rôto;
2 πf1

ω0 ω0 =
tốc độ không tải lý tưởng;
p
s

hệ số trượt của động cơ.

Do đó ta có:
7


§å ¸n tèt nghiÖp
ω=

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

2πf1
(1 - s)
p

(7)

Từ phương trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ động cơ không
đồng bộ ω ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông s ố: t ần s ố ngu ồn
f1, số đôi cực p và hệ số trượt s. Tương ứng với sự điều chỉnh các thông số
trên ta có các phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ:
- Thay đổi tần số f1 của nguồn cấp.
- Thay đổi số cực 2p.
- Điều chỉnh điện áp đặt vào stato.
- Điều chỉnh điện trở mạch rôto.

- Dùng sơ đồ nối tầng động cơ không đồng bộ.
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần
số
1. Nguyên lý điều chỉnh
Tần số của lưới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay
trong máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng stato ta có th ể đi ều
chỉnh được tốc độ của động cơ. Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta
dùng bộ nguồn biến tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ
như sau:
U1

BiÕn
TÇn

f1
const

§
Ub f b
var

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có
điều chỉnh tần số.
Máy điện được chế tạo để hoạt động ở tần số định mức nên khi thay
đổi tần số chế độ làm việc của máy điện cũng bị thay đổi vì tần s ố có ảnh
hưởng trực tiếp đến từ thông của máy điện. Quan hệ này có thể được phân
tích nhờ phương trình cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện:
•

•

•

•

E1 = c φ f1 = U 1 - I1 Z1

Trong đó:
•
E1 Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato;
8


Đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội



T thụng múc vũng qua cun dõy stato;
c Hng s t l;

U1 in ỏp t vo stato ng c;
f1 Tn s dũng stato.
Nu b qua st ỏp trờn tng tr ca cun dõy stato ta cú :


U1
=
cf1

T phng trỡnh trờn ta thy nu gi nguyờn in ỏp U 1 (U1 = const),
khi tng tn s f1 thỡ t thụng trong mỏy s gim lm cho mụmen ca mỏy
in gim. Nu mụmen ti khụng thay i hoc l hm tng ca tc thỡ
khi ú dũng in cng phi tng cho mụmen cõn bng vi mụmen t i. Kt
qu l ng c b quỏ ti v dũng. Ngc li khi gim tn s gim tc
li dn n t thụng tng lờn lm tng mc t hoỏ lừi thộp, t ng tn
hao thộp v lm núng mỏy in.
Nh vy khi iu chnh tc bng cỏch thay i tn s thỡ ta cng
phi thay i in ỏp mt cỏch tng ng.
Ngi ta chng minh c rng, khi thay i tn s, nu ng thi i u
chnh in ỏp sao cho h s quỏ ti ca ng c khụng thay i
( = M th / M c = const ) thỡ ch lm vic ca ng c luụn c duy trỡ
mc ti u ging nh khi lm vic thụng s nh mc. Khi ú hiu su t v
cosj ca mỏy trong ton di iu chnh gn nh khụng i.
2. Cỏc c tớnh iu chnh
c tớnh c ca ng c khụng ng b khi iu chnh tn s khụng
ch ph thuc vo tn s m cũn ph thuc vo quy lut thay i in ỏp,
ngha l cũn ph thuc c tớnh ca ph ti.
- Khi Mc = const



f 12
f 1đm
f 11
0

- Khi Mc

Mc

1

9

Mth M


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

ω

f 12
f 1®m
f 11
Mc
0

M

- Khi Mc ≡ ω

2

ω

f 12

Mc

f 1®m
f 11
0

M

Hình 6. Các đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ bằng tần số với các loại tải khác
nhau.
3. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay
đổi tần số có các ưu, nhược điểm sau:
 Ưu điểm
 Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ.
 Dải điều chỉnh tốc độ D lớn.
 Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến tần mắc trực
tiếp từ lưới điện, do đó không cần các thiết bị biến đổi, nó s ử
dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu đơn
giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi
trường.
 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng biến tần có thể hãm tái sinh
cho nên nguồn xoay chiều này có thể làm việc ở cả 4 góc tọa
độ.
 Nhược điểm
 Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng nhiều linh kiện bán
dẫn và mạch điều khiển điện tử.

10


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

 Phạm vi ứng dụng
 Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có nhiều ưu điểm,
song phạm vi ứng dụng của nó phụ thuộc nhiều vào yếu tố
kinh tế. Do vậy, trong thực tế biến tần thường được sử dụng
khi có nhiều động cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật
chung. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ít được sử dụng
cùng với biến tần do biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động
cơ không đồng bộ rôto lồng sóc một cách dễ dàng.
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số
đôi cực
Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng bộ, tốc độ từ
trường quay thay đổi và do đó tốc độ động cơ rôto cũng biến đổi theo. Quan
hệ đó thể hiện trong biểu thức tốc độ sau:
2 πf1
ω=
(1 - s)
p
Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng t ự
biến đổi số cực rôto theo stato. Do đó, số cực, điện tr ở và đi ện kháng rôto t ự
thay đổi nhịp nhàng với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây qu ấn,
phương pháp này hiếm khi được sử dụng vì khi thay đổi số cực stato ta đồng
thời phải thay đổi số cực rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp.

III. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi đi ện
áp đặt vào stato
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh trở – kháng mạch stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:

M=
U∼

3U 2f r'2
r'2
2
ω0 [(r1 + )2 + x nm ]
s
ω

ω ng đặc tính cơ b ằng cách n ối v ào m ạch
Ta thấy, có thể làm biến dạ
M
stato một điện trởx phụ hoặc một điện kháng phụ. Trong thực tế, việc dùng
điện trở phụ có hiệu quả rất kém do có tổn hao trên bản thân nó, nên ít được
sử dụng. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không
đồng bộ ba pha khi dùng
§ kháng trong mạch stato như sau:®t.gh
0

c.cp

f

xf2

0

xf1

M

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý 11
và các đặc tính điều
chỉnh của động cơ không đồng bộ khi dùng kháng
trong mạch trong mạch stato (xf1 > xf2).


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Từ mạch điện thay thế hình à đơn giản hóa của động cơ không đồng
bộ ta thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng điện stato và rôto đều gi ảm
xuống, do đó mômen M của động cơ giảm xuống và tr ở nên nh ỏ h ơn mômen
tải Mc nên hệ sẽ giảm tốc. Kết quả là động cơ sẽ chuyển sang làm việc xác
lập ở tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản.
Từ phương trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn kháng vào stato,
khi đó điện kháng ngắn mạch xnm tăng và do đó, độ trượt tới hạn sthvà
mômen tới hạn Mthđều giảm như trên hình 7.
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
điều chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có những ưu, nhược điểm sau:

 Ưu điểm
 Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác
điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp.
 Nhược điểm
 Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để (không điều chỉnh
được tốc độ không tải lý tưởng ω0.
 Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trượt tới hạn càng
nhỏ, do đó khả năng mang tải càng kém và độ ổn định tĩnh
cũng như động của hệ càng thấp.
 Độ chính xác đặt tốc độ kém do độ cứng của đặc tính cơ
điều chỉnh khá nhỏ.
 Các chỉ tiêu năng lượng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi
giảm tốc độ và hệ số công suất cosϕ thấp do nối thêm kháng.
 Phạm vi ứng dụng
12


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Phương pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không
đồng bộ rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhược
điểm do đó ít được dùng trong thực tế.
2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách thay đổi điện áp đặt vào stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp. người ta dùng bộ nguồn BĐ có điện áp ra thay
đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý hình 8.

U®k

BiÕn
§æi
§iÖn
¸p

Ub Var

§

Hình 8. Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện
không đồng bộ có điều chỉnh điện áp nguồn.
Khi thay đổi điện áp lưới, ví dụ khi giảm xuống còn x lần (x < 1) đi ện
áp định mức (U1 = xUđm) thì mômen sẽ giảm xuống còn x 2 lần M = x2Mđm.
Nếu mômen tải không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trượt tăng lên.
Theo công thức về mômen M = cmI’2φ, trong đó cm là hằng số, thì khi
điện áp lưới U1 = xUđm, thì sức điện động E và từ thông φ cùng bằng x lần
giá trị ban đầu và I’2 tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trượt:
Pcu 2 m1 I' 22 r' 2
s=
=
P®t
Mω1
nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x2 lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ điện ở
điện áp U 1 = xU ®m sẽ là:
s
)
x2
Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn M th sẽ thay đổi

đổi tỷ lệ với bình phương điện áp, còn độ trượt tới hạn s th thì giữ nguyên,
nghĩa là:
M th .u = M th .U *b2
n = n 1 (1 -

sth .u = s th .tn = const

Đặc tính điều chỉnh có dạng như sau:

13


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
ω
ω0
®t.tn
U11

U12
ω
(s=sgh)

Mth.u

0

Mth

M

Hình 9. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh
điện áp stato, U12 > U11.
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
 Ưu điểm
Phương pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và cải thiện các đặc
tính điều chỉnh.
 Nhược điểm
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp
có nhược điểm là làm việc không ổn định do hệ thống nhạy với sự thay đổi
của điện áp.
 Phạm vi ứng dụng
Phương pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm
tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm.
IV. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
điều chỉnh điện trở mạch rôto
1. Nguyên lý điều chỉnh
Khi thay đổi điện trở mạch rôto (bằng cách thay đổi điện trở phụ R f
mắc vào rôto), dòng điện stato I1 và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi,
dẫn đến tốc độ của động cơ cũng thay đổi. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính c ơ
của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh bằng phương pháp này như sau:
U∼
ω

a

ω0
ω1

§

b

ω2

a'

Rf
0

Mc

Mth

M

Hình 10. Sơ đồ nguyên lý14và đặc tính cơ của
động cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng điện trở.


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là
Mc và tốc độ là ω1, điểm làm việc là điểm a trên đồ thị hình 10. Để điều
chỉnh tốc độ ta đóng một điện trở Rf vào cả ba pha rôto, khi đó điện trở mỗi
pha rôto là R 2 = r2 + R f . Điện trở rôto tăng, từ sơ đồ mạch điện thay thế hình
Γ đơn giản hóa ta thấy dòng điện stato I 1 giảm đột biến và do đó mômen của

động cơ cũng giảm. Do quán tính của động cơ nên tốc độ không thay đổi
đột ngột. Điểm làm việc chuyển từ điểm a đến điểm b. Tại thời điểm đó, M
< Mc nên hệ giảm tốc. Mặt khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trượt
tăng nên suất điện động cảm ứng trong rôto E 2 tăng lên. Do đó, dòng điện ở
rôto và mômen động cơ lại tăng cho đến khi M = M c thì hệ xác lập nhưng với
tốc độ mới ω2 < ω1. Trạng thái này ứng với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh.
Từ phương trình (3) và (4):

sth =
M th =

r'2
2

r1 + (x1 + x'2 )
3U f
2ω0 ( r1 +

2

=

r'2
2

r1 + x nm

2

(3)

2
2

2

r1 + x nm )

(4)
Ta thấy, khi tăng

điện trở rôto thì độ trượt giới hạn sth tăng và mômen tới hạn Mth không đổi.
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
 Ưu điểm
 Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác
điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp.
 Hạn chế dòng điện mở máy do đó làm tăng khả năng mở máy
cho động cơ.
 Tự động hóa điều chỉnh tốc độ dễ dàng.
15


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

 Nhược điểm
 Dải điều chỉnh tốc độ bé.
 Tổn hao năng lượng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở Rf.
 Phạm vi ứng dụng

Từ các ưu, nhược điểm trên, đây là một phương pháp được
sử dụng rộng rãi, mặc dù đây không phải là phương pháp kinh
tế nhất. Nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ
động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Phương pháp này
được sử dụng trong các hệ thống có các động cơ không đồng
bộ làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại, và thích hợp với
các hệ thống yêu cầu tốc độ không cao như cần trục, cầu
trục…
V. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ
đồ nối tầng
1. Nguyên lý điều chỉnh
Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối
tầng được thực hiện bằng cách đưa vào rôto của nó một sức điện động E f.
Sức điện động phụ này có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với s ức đi ện
động cảm ứng trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện
động phụ có thể là xoay chiều hoặc một chiều như sơ đồ nguyên lý sau:

§
§
Ef ∼
Ef =

Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện động phụ vào
mạch rôto của động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc
độ của nó trong sơ đồ nối tầng.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này như sau:
Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ n ăng
lượng từ lưới và sinh năng lượng trượt ở mạch rôto ∆Ps = Mω 0 s . Khi đưa Ef
vào, dòng điện rôto khi đó
•

•

E2 - E f
I2 =
Z
16
•

(8)


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Ta giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính
ứng với một giá trị E f nào đó. Nếu tăng E f lên thì dòng I2 giảm, mômen điện
từ của động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen M c, nên tốc độ của động
cơ giảm. Khi tốc độ giảm, độ trượt tăng làm cho E2 = E2nms tăng lên. Kết quả
là dòng điện rôto I2 và mômen điện từ tăng lên. Cho đến khi mômen của thiết
bị nối tầng cân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ
làm việc với tốc độ nhỏ hơn trước.
Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không tải lý tưởng ω0lt. Khi Ef
= 0 động cơ làm việc trên đặc tính gần đặc tính tự nhiên.
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
 Ưu điểm
Chỉ tiêu năng lượng cao do tận dụng được công suất trượt ở
mạch rôto.
 Nhược điểm

Mạch điều khiển và mạch động lực phức tạp dẫn đến chi phí
vận hành và sửa chữa lớn. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ
thống không lớn lắm và mômen của động cơ giảm khi t ốc độ
giảm xuống.
 Phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thường áp dụng cho
các truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm điện năng
có ý nghĩa lớn. Phương pháp này nên áp dụng cho các truyền
động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì
thường ta khởi động bằng phương pháp khác cho đến khi tốc
độ đến vùng làm việc thì mới sử dụng phương pháp này để
điều chỉnh tốc độ.
Kết luận:
Từ việc phân tích các ưu, nhược điểm của các phương pháp điều chỉnh
tốc độ động cơ không đồng bộ với động cơ trong yêu cầu của đồ án là động
cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc
độ dùng điện trở xung rôto là thích hợp nhất.
Chương II

Chọn và tính toán mạch động lực
17


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

A. các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn
Pđm = 7,5 KW; nđm = 695 v/ph; cosϕđm = 0,74; I1đm = 20,6 A; E20 = 254 V;
r1 = 1,04 Ω; x1 = 0,833 Ω; r2 = 0,462 Ω; x2 = 0,611Ω;

Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của động cơ J đ/c = 0,837
Kgm .
2

Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U1 = 380 V; tần số f1 =
50 Hz.
Hiệu suất của động cơ:
P®m
η=
100%
3U 1 I 1®m cos ϕ ®m
7,5.10 3
η=
100% = 74,75%
3.380.20,6.0,74
Hệ số trượt của động cơ:
np
s =160f1
s =1-

695p
3000

Do số đôi cực p là số nguyên, với các giá trị:
p = 3 ⇒ s = 0,305;
p = 4 ⇒ s = 0,073;
p = 5 ⇒ s = - 0,158;
Như vậy, ta thấy khi p = 4 và khi đó s = 0,073 là hợp lý.
Sức điện động của rôto khi quay ở tốc độ định mức:
E 2 = sE 20

E 2 = 0,073.254 = 18,542 V
Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình 3, trị số hiệu dụng của dòng điện
trong dây quấn rôto đã quy đổi về stato:

I' 2 =

Uf
r'
(r1 + 2 ) 2 + x 2nm
s

Tỷ số biến đổi điện áp:

18

(*)


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
ke =

E 1 0,95U 1
=
E 20
E 20

ke =

0,95.380
= 1,42
254

Trong đó:
Ta lấy E1 = 0,95U1.
Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số biến đổi dòng điện
bằng tỷ số biến đổi điện áp:
k e = k i = 1,42
r1= 1,04 Ω;
r’2 = k.r2 = ke2.r2 = 1,422.0,462
r’2 = 0,932 Ω;
xnm = x1 + x’2 = x1 + ke2.x2 = 0,833 + 1,422.0,611
xnm = 2,065 Ω;
Uf = 220 V.
Thay các giá trị trên vào (*) ta có:

220
= 15,759 A
0,932 2
2
(1,04 +
) + 2,065
0,073
Dòng điện định mức trong dây quấn rôto:
I' 2 =

I 2 = k i .I' 2
I 2 = 1,42.15,759 = 22,377A
B. lựa chọn và tính toán mạch động lực

Động cơ trong yêu cầu của bài toán thiUế=380V
t kế là loại động cơ ba pha s ử
dụng điện áp U1 = 380 V với tần số f 1 = 50 Hz và điều chỉnh tốc độ động cơ
~ Do vậy, động cơ được mắc
bằng cách điều chỉnh xung điện trở mạch rôto.
trực tiếp vào lưới điện ba pha có điện áp UAP
1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz.
1

Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không
K đồng bộ bằng cách điều chỉnh
điện trở phụ mắc vào mạch rôto. Hệ thốngRNđiện trở phụ bao gồm ba biến tr ở
Rf mắc vào ba pha của dây quấn rôto thông qua hệ thống v ành tr ượt. S ử d ụng
biến trở trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ là m ột phương pháp đơn gi ản
nhưng có nhiều nhược điểm. Phần§lớn các nhược điểm đều liên quan đến
dạng đặc tính cơ mềm và dùng điện trở nhiều cấp trong mạch lực.
Rf

19
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ
điều chỉnh xung điện trở rôto.


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Trong sơ đồ trên:
AP - áp tô mat;
K - công tắc tơ có dập hồ quang;

RN - rơle nhiệt;
~ mạch rôto.
Rf - điện trở điều chỉUnh
I. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto
Để khắc phục một số nhược điểmR quan trọng trên và mở ra khả năng
tự động hóa hệ thống, người ta dùng phươngKpháp Rđiều chỉnh xung điện trở.
x

Rx

Rx

Rx

20
Hình 13. Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh xung điện trở
và điện trở xung Rx.


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Đây là một phương pháp phát triển của phương pháp biến tr ở. S ơ đồ nguyên
lý của phương pháp này như sau:

Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng “điện trở xung” R x.
Để dùng Rx ta dùng một điện trở có giá trị không đổi R và một khóa K đóng
cắt theo chu kỳ.
Nếu khóa K là lý tưởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân khi đóng l à

Kkh= 0 và khi cắt là Rkh= ∞, thì khi K đóng Rx= 0, và khi K cắt R x=R. Như
vậy, điện trở phụ trong mạch rôto thay đổi theo chu kỳ từ 0 đến R và trong
mạch rôto từ r2 đến r2+R.
Điện trở điều chỉnh trong trường hợp này sẽ có m ột giá tr ị t ương
đương nằm giữa 0 và R. Nó phụ thuộc vào tương quan gi ữa các th ời gian
đóng tđ và thời gian cắt tc của khóa. Giá trị đó quyết định độ cứng của đặc
tính cơ biến trở và trị số tốc độ của truyền động điện.
Trong thực tế, việc dùng cả ba điện trở xung ở trong m ạch rôto l àm cho
mạch điều khiển phức tạp và khó điều chỉnh. Vì vậy, ta thường dùng m ột
điện trở xung Rx và một bộ chỉnh lưu có sơ đồ như sau:
U~

Đ

CL
R

K

Rx

Hình 14. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện
trở rôto kết hợp với bộ chỉnh lưu.
21


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Bộ chỉnh lưu CL không cần yêu cầu cao về điện áp, do đó ta chọn sơ đồ
chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Sơ đồ nguyên lý như sau:

U~
Đ

R

K

Rx

Hình 15. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện
trở rôto.
Để dựng đặc tính cơ, ta phải tính đổi mạch một chiều với điện trở
tương đương Rtđ thành mạch xoay chiều ba pha với điện trở R f trong mỗi pha,
nghĩa là ta phải quy đổi mạch điện hình 13 thành dạng mạch điện hình 10.
Cơ sở để tính đổi là nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở của hai trường hợp ph ải
bằng nhau.
Đối với sơ đồ hình 13, tại mỗi thời điểm dòng điện Iđ đều chạy qua
hai pha rôto và mạch điện một chiều. Do đó:
∆P = I 2d .(2r2 + R t ® ) = k 2cl .I 22 .(2 r2 + R t ® )

(8)

Trong đó:
Kcl- hệ số biến đổi phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu, đối với sơ đồ
Id
chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển k cl = = 1,23 .
I2

Đối với sơ đồ hình 10 ta có:
22


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
∆P = 3I 22 .(r2 + R f )

(9)

Nhiệt lượng tỏa ra trong hai trường hợp là như nhau, do đó, cân bằng
phương trình (8) và (9) ta có:
∆P = I 2d .(2 r2 + R t ® ) = k 2cl .I 22 .(2 r2 + R t ® ) = 3I 22 .(r2 + R f )
k 2cl = 1,232 = 1,5 nên:

1
Rf = Rt ®
2

(10)

Điều đó có nghĩa là, nếu nối trong mạch một chiều của hình 13 một
điện trở Rtđ thì đặc tính cơ của động cơ sẽ giống như khi dùng mạch biến
trở hình 10 với điện trở phụ mỗi pha là Rf = 0,5Rtđ.
 Điện trở tương đương
Ta có thể xác định điện trở tương đương R tđ khi điều chỉnh xung một
cách gần đúng trên nguyên tắc đẳng trị nhiệt.
Khi khóa K đóng, điện trở mạch vòng qua hai pha rôto còn là 2r2 nên
dòng điện rôto tăng, còn khi khóa cắt, giá trị là R+2r2 nên dòng điện rôto

giảm.
R
Imax

K ®ãng
K c¾t

i®

ic

I®

Imin
Ic
0
t®

t

tc
tck

Hình 16. Biến thiên điện trở và dòng điện theo thời gian
khi điều chỉnh xung điện trở.
Do ảnh hưởng của dây quấn trong động cơ nên mạch điện có tính cảm,
do vậy dòng điện thay đổi theo quy luật hàm mũ như hình 14. Khi khởi động,
nó tăng từ 0 theo một đường răng cưa lũy tiến. Sau một thời gian đủ lớn,
đường răng cưa đó trở nên xác lập và có Imax, Imin không thay đổi. Trạng thái
này gọi là “tựa xác lập”.

Khi “tựa xác lập”, phương trình dòng điện là:
i ® = I ® + ( I min - I d ).e

t
Tdd

( trong khoảng thời gian tđ ).

23


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

i c = I c + ( I max - I c ).e

t
Tdc

( trong khoảng thời gian tc ).

Trong đó :
Idd, Iđc- là dòng xác lập ứng với trạng thái đóng và cắt của khóa K;
Tđđ , Tđc- là thời gian điện từ đóng và cắt của phần ứng khi khóa K đóng
và cắt.
L
L
Tdd =
; Tdc =

2 r2
2 r2 + R
Vì tần số đóng cắt đủ lớn nên ta có thể coi t đ, tc << Tdd , Tđc do đó dòng
điện tăng và giảm theo một đường có thể coi là đường thẳng từ I min đến Imax
và từ Imax đến Imin. Như vậy trong cả hai khoảng thời gian đóng và cắt đều có
một giá trị dòng trung bình.
1
I tb = ( I max + I min )
2
Nhiệt lượng tỏa ra trong toàn mạch trong cả chu kỳ là :
∆A = I 2tb (2 r2 + R).t c + I 2tb .2 r2 .t d

(11)

Mặt khác, nếu coi trong mạch có một điện trở cố định (R tđ + 2r2) nào đó
trong suốt cả chu kỳ thì R tđ này phải đảm bảo cho dòng điện trong m ạch
đúng bằng Itb và cũng sẽ tỏa ra một nhiệt lượng đúng bằng ∆A :
∆A = I 2tb ( R td + 2r2 )t ck

(12)

Trong đó tck = tđ + tc.
Cân bằng hai phương trình (11) và (12) ta có :
I 2tb .(R + 2r2 ).t c + I 2tb .2 r2 .t ® = I 2tb .(R t ® + 2r2 ).t ck
hay:
( R + 2 r2 )(t ck - t ® ) + 2r2 .t ® = (R t ® + 2 r2 )t ck
nên:
R t ® = R(1 -

t®

) = R(1 - γ )
t ck

(13)

Trong đó:
Đặt 1 − γ =

tc
- độ rộng của xung điện trở.
t ck

Như vậy, điện trở cố định mạch rôto tương đương với điện trở xung
theo quan hệ: R td = R(1 - γ ) .
24


§å ¸n tèt nghiÖp

Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Nếu đã chọn trước giá trị điện trở R, thì giá trị của điện trở tương
đương phụ thuộc vào γ. Thay đổi γ ta sẽ có các giá trị của điện trở tương
đương Rtđ.
Giá trị γ có thể thay đổi từ 0 – 1 bằng ba cách sau:
a. Giữ tck không đổi, thay đổi thời gian đóng khóa tđ , gọi là “điều
rộng”.
b. Giữ tđ không đổi, thay đổi thời gian tck , gọi là “điều tần”.
c. Thay đổi cả tđ và tck, gọi là điều “rộng – tần”.
Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp thứ nhất do điều

khiển là đơn giản nhất.
 Lựa chọn khóa K
Một phần tử quan trọng trong sơ đồ điều chỉnh xung điện trở mạch rôto
là khóa K. Như ta thấy trên hình 13, tần số đóng cắt của khóa K ảnh hưởng
đến dòng điện trong mạch rôto và ảnh hưởng đến sự làm việc của động c ơ.
Khi tần số càng cao, tck càng nhỏ, dòng điện càng ít mấp mô hơn, do đó động
cơ làm việc ổn định hơn. Tuy nhiên, khi tần số càng cao thì thi ết b ị l àm khóa
K càng phải có thời gian đóng, cắt càng nhỏ, do đó yêu cầu thiết bị tốt hơn,
tốn kém hơn. Trong thực tế, người ta thường đóng khóa K theo tần số trong
dải 200 Hz ÷ 2000 Hz.
Với tần số đóng, cắt như vậy, ta không thể dùng các khí cụ cơ hoặc
điện-từ-cơ kiểu rơle- côngtăctơ để làm khóa K. Các thiết bị này có độ tác
động nhanh kém đến mức không thể điều khiển được dòng và tốc, chóng h ư
hỏng do tác động ở tần số tương đối cao. Hiện nay, người ta l àm khóa K
bằng các van bán dẫn như tiristor hoặc tranzitor.
Tiristor thông thường có các trị số giới hạn cao nhất, ch ắc ch ắn, t ổn hao
dẫn nhỏ, rẻ tiền nhưng mở chậm và chỉ có thể được khóa khi triệt tiêu dòng
điện tải. Tuy nhiên, với dải tần số 200 Hz ÷ 2000 Hz tiristor thông thường phù
hợp hơn và có thể chịu được điện áp ngược lớn. Tranzitor lưỡng cực thích
hợp với dải tần số 20 KHz ÷ 100 KHz. Tranzitor trường thích hợp với dải t ần
số cao hơn 100 KHz. Tiristor dễ bảo vệ chống lại các sự cố.
Từ các phân tích trên, với dải tần số 200 Hz ÷ 2000 Hz, ta dùng tiristor
làm khóa K là lựa chọn thích hợp nhất.
Như trong sơ đồ hình 13, dòng điện tải i d sau chỉnh lưu cầu là dòng
điện một chiều, với tần số đập mạch fm = 6 f1 = 300Hz .
Như trên giản đồ sau, ta thấy, để làm khóa K bằng tiristor ta ph ải có
thêm tiristor T1 nữa để khóa tiristor T do tiristor T không thể tự khóa.

25