đồ án tốt nghiệp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC kết hợp biến tần

Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

BẢN NHẬN XẫT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Sinh viên thực hiện: Trương Ngọc Hải

Lớp: 02D,DT2

Chuyên ngành: TĐH

Khoa: Điện

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Văn Tuấn

Học hàm, học vị: Thạc sỹ

Đơn vị công tác: Khoa Điện – Trường Đại học Sao Đỏ

NỘI DUNG NHẬN XÉT
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài:
Bộ điều khiển lập trình ( PLC, Programmable Logic Controller ) và biến tần ngày

nay được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực tự động hoá. Không chỉ được sử dụng
trong các dây chuyền máy móc sản xuất công nghiệp … mà còn cả trong xây dựng,
giao thông, thuỷ lợi, nông nghiệp, khai thác tài nguyên … Chính vì vậy việc nắm bắt
kỹ năng sử dụng và khai thác PLC và biến tần là mục tiêu cấp thiết đặt ra đối với cán
bộ, kỹ sư làm việc trong các ngành nghề có liên quan đến ứng dụng tự động hoá.
Đối với sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật điện, khi đang còn ngồi trên ghế nhà
trường, việc học tập, nghiêm cứu và tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử
dụng PLC và biến tần trong các mạch điện khởi động, động cơ là rất cần thiết. Thông
qua việc tìm hiểu và nghiên cứu này giúp sinh viên bước đầu có được những kiến thức
cơ bản về PLC và biến tần để tích luỹ và nâng cao trình độ chuyên môn, tiếp cận khoa
học công nghệ tiên tiến.
2. Bố cục và trình bày đồ án, khóa luận:
Bản đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng PLC và biến tần thiết kế hệ thống điều chỉnh
tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha.”, do sinh viên Trương Ngọc Hải thực hiện,
gồm có 65 trang được trình bày trên khổ giấy A4. Trong đó: Lời nói đầu – 2 trang;
Chương 1-17 trang; Chương 2 – 30 trang; Chương 3 – 13 trang; Kết luận – 1 trang. Tài
liệu tham khảo – 1trang.
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay
chiều 3 pha.
Chương 2: Tổng quan về PLC và biến tần
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

1

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha bằng
PLC S7-1200 và biến tần 3G3JX.
3. Kết quả đạt được:
Chương 1: Tác giả đó trỡnh bày được khái quát về cấu tạo cơ bản của động cơ
điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha, các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện
xoay chiều 3 pha. Từ phân tích các đặc điểm của các phương pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ xoay chiều 3 pha, tác giả đó lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
bằng biến tần.
Chương 2: Tác giả đó giới thiệu tổng quan về PLC và biến tần. Trong đó tác giả
đó giới thiệu cụ thể về PLC s7-1200 và phần mềm TIA Potal đi kèm; biến tần 3G3JX
và các thông số cài. Đây là các thiết bị chính đóng vai trũ quyết định của hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Tác giả đã mô tả được chi tiết kết cấu phần cứng, nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Từ mô tả hệ thống tác giả đó tính tóan lựa chọn được các thiết bị, thiết kế phần cứng,
thiết kế phần mềm, chạy mô phỏng v.v…
Ngoài thực hiện phần lý thuyết, tác giả đó thực hiện thiết kế chế tạo được mô hỡnh
thiết bị phự hợp với nội dung yêu cầu đề tài. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ điện
xoay chiều 3 pha có thể dùng cho giảng dạy các bài thực hành trong các môn học có
liên quan đến PLC; biến tần và nghiờn cứu khoa học.
4. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trỡnh làm đồ án, khóa luận:
Ngay sau khi nhận đề tài tốt nghiệp. Sinh viên Trương Ngọc Hải – Lớp
02ĐĐT2 , đó chủ động gặp giảng viên hướng dẫn trao đổi và nhận nhiệm vụ. Từ nội
dung nhiệm vụ đồ án được giao, sinh viên Trương Ngọc Hải đó xác định được nội
dung đồ án được chia thành hai phần lớn là: Phần lý thuyết (trình bày theo qui định
chung) – Phần thực hành, thực nghiệm (Thiết kế bàn thí nghiệm điều khiển tốc độ
động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC và biến tần). Để thực hiện phần lý thuyết tác giả
đó tìm hiểu các tài liệu khoa học có liên quan đến nội dung đồ án có trong thư viện,

trên các trang mạng. Phần thực hành, thực nghiệm tác giả đó tham khảo các mẫu mô
hình có sẵn tại phòng thí nghiệm của khoa, từ đó xây dựng và thiết kế chế tạo được
bàn thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha đẹp, chắc chắn, phù hợp
với nội dung nhiệm vụ đồ án đề ra.

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

2

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Trong thời gian làm đề tài sinh viên Sinh viên Trương Ngọc Hải đă thường
xuyên gặp gỡ, trao đổi với giảng viên hướng dẫn để báo cáo tiến độ và kết quả thực
hiện và thực hiện đúng yêu cầu đề ra.
5. Kết luận:
Đồng ý cho tác giả được bảo vệ trước hội đồng tốt nghiệp.
6. Điểm đánh giá: .........................................................................................................
Hải Dương, ngày 29 tháng 5 năm 2015
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ và tên)

Phạm Văn Tuấn

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

3

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

4

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong đồ án tốt nghiệp này là
các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi với sự hướng dẫn của
Th.s Phạm Văn Tuấn, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả
khác.
Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các
nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo.

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
SINH VIÊN THỰC HIỆN

Trương Ngọc Hải

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

5

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

MỤC LỤC

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

6

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

DANH MỤC CÁC BẢNG

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

7

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

DANH MỤC CÁC HÌNH

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

8

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

LỜI NÓI ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Ngày nay đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện đại
hóa đất nước các ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng để đáp ứng được các nhu
cầu thiết yếu cho sản xuất. Đi đôi với sự phát triển công nghiêp hoá và hiện đại hoá đất
nước thì ngành điện, điện tử có vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nói
chung và đời sống con người nói riêng.
Sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật và sựu phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy
tính, cho ra đời các thiết bị điều khiển số như: CNC, PLC… Các thiết bị này cho phép
khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, đáp ứng
được yêu cầu kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất.
Với sự phát triển của khoa học và công nghệ như hiện nay việc ứng dụng thiết bị
logic khả trình PLC để tự động hóa quá trình sản xuất nhằm mục tiêu tăng năng suất
lao động, giảm sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một
vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao. Việc ứng dụng PLC vào sản xuất và cuộc sống
cần phổ biến và mở rộng trong thực tiễn.
Với việc ứng dụng PLC vào thực tiễn. Nhóm chúng em đã sử dụng PLC trong
việc điều khiển hệ thống đài phun nước.
Là sinh viên chuyên ngành công nghệ kỹ thuật điện, điện tử. Sau những năm
tháng học tập tại trường Đại học Sao Đỏ, em được giao đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng
PLC và biến tần thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha”, dưới
sự hướng dẫn của giảng viên Phạm Văn Tuấn.
2. Mục đính nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế mô hình điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha bằng PLC
s7-1200 kết hợp biến tần.
3. Phạm vi nghiên cứu.
Tham khảo các tài liệu về PLC, biến tần.
Tham khảo tài liệu động cơ.
Tìm hiểu về hoạt động của một số PLC.
Bằng cách vận dụng những kiến thức có được trong quá trình học học tập, tham
khảo các loại tài liệu.nhóm thực hiện tiến hành tìm hiểu, thiết kế mô hình điều khiển

tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha. Quá trình thực nghiệm giúp nhóm thực hiện tự hoàn
thiện và bổ sung kiến thức mới. Đặc biệt là tìm được hướng nghiên cứu thích hợp nhất
để hoàn thiện và hoàn thiện được đề tài.
4. Kết cấu của đồ án
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

9

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Đồ án gồm có các chương như sau:
Chương I: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay
chiều 3 pha.
Chương II: Tổng quan về PLC và biến tần.
Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha bằng
plc s7-1200 và biến tần 3g3jx.
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo

Trong quá trình làm đồ án, với sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân, đặc biệt là
sự giúp đỡ rất nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn Th.s Phạm Văn Tuấn em đã hoàn
thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nên đồ án này của
em không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
các thầy cô và các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Dương, ngày 29 tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trương Ngọc Hải

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

10

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA
1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 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.
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 hiệu quả và 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 hạ (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 biến đổi kèm theo, giảm phức tạp cho hệ thống.
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, cosϕ 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.
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.
1.2. Cấu tạo
Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ ba pha gồm có
các bộ phận chính sau:
+ Phần tĩnh hay còn gọi là stato
+ Phần quay hay còn gọi là rôto

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

11

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
1. Lõi thép stato; 2. Dây quấn stato; 3. Lắp máy; 4. Ổ bi; 5. Trục máy ;
6. Hộp đấu dây; 7. Lõi thép roto; 8. Thân máy; 9. Quạt làm mát; 10. Hộp quạt
1.2.1. Phần tĩnh ( Stato)
Cấu tạo stato bao gồm võ, lõi thép và dây quấn:
Vỏ máy
Vỏ máy là nơi cố định lõi sắt, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp hay gối
đỡ trục. Vỏ máy có thể làm bằng gang, nhôm hay thép. Để chế tạo vỏ máy người ta có
thể đúc, hàn, rèn. Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ kiểu bảo vệ. Vỏ máy kiểu kín
yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn người ta làm nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt vỏ
máy. Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt ngoài nhẵn, gió làm mát thổi trực tiếp trên bề
mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy.
Hộp cực là nơi để đấu điện từ lưới vào. Đối với động cơ kiểu kín hộp cực yêu
cầu phải kín, giữa thân hộp cực và vỏ máy với nắp hộp cực phải có gioăng cao su.
Trên vỏ máy còn có bu lông vòng để cẩu máy khi nâng hạ, vận chuyển và bu
lông tiếp mát.
Lõi thép
Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm
tổn hao, lõi thép được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại với
nhau tạo thành khối lõi thép.
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

12

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp

tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Hình 1.2: Tấm thép hình rẻ quạt
Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm thép tròn
ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm thép hình
rẻ quạt ( hinh 1.2 ) ghép lại thành khối tròn.
Các lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do
dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi
thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách
nhau 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong cùa lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn
Dây quấn stato được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi
thép. Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm
thành một hoặc nhiều vòng kín. Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì
nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng.
Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong
toàn bộ giá thành của máy.
+ Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm
- Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhất định
chạy qua mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra một mômen cần
thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt.
- Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn
+ Dây quấn stato theo lớp dây quấn gồm hai loại chính
- Dây quấn một lớp.
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

13

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

- Dây quấn hai lớp.
+ Dây quấn stato theo kiếu nhóm bối dây:
- Dây quấn kiểu đồng tâm
- Dây quấn kiểu đồng khuôn
1.2.2. Phần quay ( Rôto )
Rôto của động cơ không đồng bộ gồm lõi sắt, dây quấn và trục (đối với động cơ
dây quấn còn có vành trượt).
Lõi thép:
Lõi thép của rôto bao gồm các lá thép kỹ thuật điện như của stato, điểm khác biệt
ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong rôto rất
thấp, chỉ vài Hz, nên tổn hao do dòng phu cô trong rôto rất thấp. Lõi thép được ép trực
tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để
đặt dây quấn rôto.
Dây quấn:
Dây quấn được phân ra làm hai loại chính: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto
kiểu lồng sóc
+ Loại rôto kiểu dây quấn

Hình 1.3: Rôto kiểu dây quấn
Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Máy điện kiểu trung bình trở lên
dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto
chặt chẽ. Máy điện cỡ nhỏ dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của

rôto thường đấu hình sao.
Đặc điểm của loại động cơ kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện
trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều
chinh tốc độ hay cải thiện hệ số công suất của máy.
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

14

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

+ Loại rôto kiểu lồng sóc:

Hình 1.4: Rôto kiểu lồng sóc
a). Dây quấn rôto lồng sóc

b). Lõi thép roto

c ). Kí hiệu động cơ

Loại rôto kiểu lồng sóc: Dây quấn là các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong
các rãnh của lõi thép, có chiều dài hơn lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai
vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen
gọi là lồng sóc.
Nếu là rôto đúc nhôm thì trên vành ngắn mạch còn có các cánh khoáy gió.

Rôto thanh đồng được chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục
đích nâng cao mô men mở máy.
Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người ta làm rãnh
rôto sâu hoặc dùng lồng sóc kép. Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto được làm chéo
góc so với tâm trục.
Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép.
Trục
Trục máy điện mang rôto quay trong lòng stato, vì vậy nó cũng là một chi tiết rất
quan trọng. Trục của máy điện tùy theo kích thước có thể được chế tạo từ thép
Cacbon.
Khe hở
Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không đồng bộ
rất nhỏ (từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cở nhỏ và vừa ) để hạn chế dòng điện từ
hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao.

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

15

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

1.3. Nguyên lý làm việc
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau
120 trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường

quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ
quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các
thanh dẫn.
o

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có
dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại
tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc
ban tay trái và tạo ra mômen làm quay rôto theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của rôto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu rôto
quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn
phần cảm nên sđđ cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, mômen quay cũng
không còn. Do mômen cản rôto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn rôto lại
bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có mômen quay
làm rôto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường.
Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KĐB) xoay
chiều.
N
n

S

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý làm việc của ĐC KĐB XC ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay
của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc
độ gọi là độ trượt s:
(1.1)
Từ đó ta có:
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

16

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

ω = ωo(1 – s)

(1-2)

n = no(1 – s)

(1-3)

hay

Với:

(1-4)

(1-5)

f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở rôto cũng là dòng điện xoay
chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

(1-6)
1.4. Ứng dụng
Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành rẻ, dễ bảo quản
Nên động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các
ngành kinh tế quốc dân với công suất vài chục W đến hàng chục kW.
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

17

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như:
- Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng làm
nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà
máy công nghiệp nhẹ…Trong hầm mỏ dùng làm động cơ máy tời hay quạt gió.
- Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông phẩm...
- Trong đời sống sinh hoạt hàng 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… nhất là loại động cơ rôto lồng sóc.
Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, thì phạm vi
ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiện và mở rộng .

1.5. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều pha
Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có tần số f1 thì ta có biểu thức
của tốc độ:
ω = ω0 (1 – s)

(1.7)

Trong đó:
ω: Tốc độ quay của rôto;

ω0 :

tốc độ không tải lý tưởng;

s : Hệ số trượt của động cơ.

Do đó ta có:
(1.8)
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 số: tần số nguồn f1, số đôi cực p và hệ số
trượt s.
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
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

18

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải

Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết thời gian
mômen động cơ sinh ra đều lớn hơn mômen 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 rôto, 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 dũng 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, mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, 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 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 rôto. 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 đó dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng
cao.
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

19

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

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.

1.5.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số
1.5.1.1. 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 thể điều 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:

Hình 1.6: 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 số 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:

Trong đó:

Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato;
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

20

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato;
c Hằng số tỷ lệ;
Điện áp đặt vào stato động cơ;
f1 Tần số dòng stato.

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato ta có :
Từ phương trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U1 (U1 = const), khi tăng tần
số f1 thì từ thông trong máy sẽ giảm làm cho mômen của máy điện giảm. Nếu mômen
tải không thay đổi hoặc là hàm tăng của tốc độ thì khi đó dòng điện cũng phải tăng để
cho mômen cân bằng với mômen tải. Kết quả là động cơ bị quá tải về dòng. Ngược lại
khi giảm tần số để giảm tốc độ lại dẫn đến từ thông tăng lên làm tăng mức độ từ hoá
lõi thép, tăng tổn hao thép và làm nóng máy điện.
Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải thay đổi
điện áp một cách tương ứng.
Người ta chứng minh được rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều chỉnh
điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi

thì
chế độ làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức tối ưu giống như khi làm việc ở
thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cos
như không đổi.

của máy trong toàn dải điều chỉnh gần

1.5.1.2. Các đặc tính điều chỉnh
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số không chỉ phụ
thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp, nghĩa là còn phụ
thuộc đặc tính của phụ tải.
-

Khi Mc = const

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

21

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

ω

f 12

f 1®m
f 11
0

-

Mc

Mth

M

Khi Mc=

ω

f 12
f 1®m
f 11
Mc
0

-

M

Khi Mc = ω2

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

22

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

ω

Mc

f 12
f 1®m
f 11
0

M

Hình 1.7: Các đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ bằng tần số với các loại tải khác nhau.
1.5.1.3. 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 sử 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.



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.
GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

23

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải


Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

1.5.2. 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:

Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng tự biến đổi số
cực rôto theo stato. Do đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp nhàng
với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, 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 rṍt phức tạp
1.5.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào
stato
1.5.3.1. Nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp dùng bộ nguồn biến đổi có điện áp ra thay đổi tùy thuộc
vào tín hiệu điều khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý (Hình 2.3).

Hình 1.8: 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) điện áp định
mức (U1 = xUđm) thì mômen sẽ giảm xuống còn x2 lần M = x2Mđm. Nếu mômen tải
không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trượt tăng lên.

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn

24

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải

Đồ án tốt nghiệp
tử

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện

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:

nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x2 lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ điện ở điện áp
sẽ là:

Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn Mth sẽ thay đổi đổi tỷ lệ
với bình phương điện áp, còn độ trượt tới hạn sth thì giữ nguyên, nghĩa là:

Đặc tính điều chỉnh có dạng như sau:
ω
ω0
®t.tn
U12

U11

ω
(s=sgh)

GVHD: Ths. Phạm Văn Tuấn
0

25
Mth.u

SV thực hiện: Trương Ngọc Hải
Mth

M