Máy điện 1 - Chương 10

Chương 10
VẬN HÀNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
10.1. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường
phải khởi động và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của
lưới điện mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện cũng khác nhau.
Khi bắt đầu khởi động thì rotor đứng yên, tốc độ n = 0, hệ số trượt s = 1 nên
dòng điện khởi động của động cơ có thể tính theo mạch điện thay thế hình 9-7b:
VK
1
K1
Z
U
I
=
(10-1)
Trên thực tế do mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên
dòng điện khởi động còn lớn hơn so với trị số theo công thức (10-1). Ở điện áp định
mức U
đm
thường dòng điện khởi động I
K
= (4÷7)I
đm
. Dòng điện khởi động lớn không
những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp của lưới điện bị giảm.
Ta có moment khởi động của động cơ không đồng bộ theo (9-56):
2'
2Th
2'
2Th

'
2
2
Th
1
1
K
)XX()RR(
RUm
M
+++
×
Ω
=
(10-2)
Khi khơi động động cơ, có khi yêu cầu mômen khởi động lớn, có khi cần hạn
chế dòng điện và có khi cần cả hai. Nói chung khi khởi động động cơ cần xét đến
những yêu cầu cơ bản sau đây:
• Mômen khởi động M
K
phải lớn để thích ứng với đặc tính tải.
• I
K
càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác.
• Thời gian khởi động t
K
cần nhỏ để máy có thể làm việc được ngay.
• Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng.
Những yêu cầu trên là trái ngược nhau, vì thế tùy theo yêu cầu sử dụng, công
suất động cơ và công suất của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi động thích

hợp.
10.1.1. Khởi động động cơ rotor dây quấn
189
Khi khởi động động cơ, dây quấn rotor được nối với các điện trở phụ R
K
(hình
10-1a). Đầu tiên K
1
và K
2
mở, động cơ khởi động qua điện trở phụ lớn nhất, sau đó
đóng K
1
rồi K
2
giảm dần điện trở phụ về không. Đường đặc tính moment ứng với
các điện trở phụ khởi động R
K1
và R
K2
trình bày trên hình 10-1b.
Lúc khởi động n = 0 thì s = 1, muốn moment khởi động M
K
= M
max
thì s
m
= 1:
1
)XX(R

RR
s
2'
2Th
2
Th
'
K
'
2
m
=
++
+
=
(10-3a)
Do R
Th
≈ R
1
và X
Th
≈ X
1
, nên ta có:
1
)XX(R
RR
s
2'

21
2
1
'
K
'
2
m
=
++
+
=
(10-3b)
Và R
1
<< X
1
+ X’2, nên:
1
XX
RR
s
'
21
'
K
'
2
m
=

+
+
=
(10-3c)
trong đó R
K
là điện trở khởi động qui đổi về stator, do vậy:
K
2'
K
R.aR
=
(10-4)
Với : a
2
= a
i
. a
e
hệ số qui đổi thông số rotor về stator.
Từ đó xác định được điện trở khởi động ứng với mômen khởi động M
K
= M
max
.
Khi có điện trở khởi động R
K
, dòng điện trong dây quấn rotor khi khởi động
động cơ là:
2'

2Th
2'
K
'
2Th
Th
K
)XX()RRR(
U
I
++++
=
(10-5)
Nhờ có điện trở R
K
dòng điện khởi động giảm xuống, moment khởi động tăng,
đó là ưu điểm lớn của động cơ rotor dây quấn.
190
Hình 10.1 Khởi động động cơ rotor dây quấn
a) Sơ đồ mạch lực; b) Đặc tính moment
R
2
+ R
k2
+R
k1
R
2
+ R
K2

R
2
M
s
1
0
M
max
(b)
CD1
U
1
ĐC
R
K1
K
2
K
1
R
K2
(a)
0,5
M
đm
Moment khởi động :
2'
2Th
2
K

'
2Th
'
2
2
Th
1
1
K
)XX()'RRR(
RUm
M
++++
×
Ω
=
(10-6)
VÍ DỤ 10-1
Họ đặc tính M=f(s) của động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn có số
liệu: 400hp, 2300V nối Y, 60Hz, 14 cực từ trình bày trên hình VD 10-1. Đường
cong A và D cho biết giới hạn của điện trở điều chỉnh. Xác định (a) điện trở điều
chỉnh để mômen khởi động bằng mômen cực đại; (b) dòng điện rotor và mômen
khởi động của trường hợp (a); (b) bội số mômen khởi động của động cơ ở trường
hợp (a). Cho biết a=3,8 và các thông số của động cơ trên một pha như sau:
R
1
= 0,403 Ω, R’
2
= 0,317 Ω, R
fe

= bỏ qua
X
1
= 1,32 Ω ; X’
2
= 1,32 Ω X
M
= 35,46 Ω
Bài giải
a. Điện trở điều chỉnh để mômen khởi động bằng mômen cực đại:
Điện áp và tổng trở theo Thévenin :
Điện áp pha :
V09,1327
3
2300
0
3
U
U
00
đm1
1
∠==∠=


V63,017,1280
)46,3532,1(j403,0
46,35j9,1327
)XX(jR
jXU

U
0
M11
M1
Th
∠≈
++
×
=
++
×
=



Ω+=
++
×+
=
++
×+
=
2767,1j3745,0
)46,3532,1(j403,0
46,35j)32,1j403,0(
)XX(jR
jX)jXR(
Z
M11
M11

Th
Điện trở điều chỉnh:
1
)XX(R
RR
s
2'
2Th
2
Th
'
K
'
2
m
=
++
+
=
1
)32,12767,1(3745,0
R317,0
s
2
'
K
m
=
++
+

=
⇒ R
’
K
= 2,3067 Ω , vậy R
K
= R
’
K
/a
2
= 2,3067/3,8
2
= 0,1697 Ω
Dòng điện trong dây quấn rotor khi khởi động của động cơ là:
2'
2Th
2'
K
'
2Th
Th
K
)XX()RRR(
U
I
++++
=
A4,268
)32,12767,1()3067,232,13745,0(

17,1280
I
22
K
=
++++
=
191
Tốc độ góc đồng bộ :
s/rad86,53
7
602
p
f2
1
1
=
×π
=
π
=Ω
.
Moment khởi động :
)RR(I
m
M
'
K
'
2

2'
K2
1
1
K
+××
Ω
=
m.N10528)3067,2317,0(4,268
86,53
3
M
2
K
=+××=
192
300% 200% 100%
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0

Hình VD.10-1 Họ đường cong M=f(s)
M
*
s
A
B C
D
Từ hình VD 10.2, ta thấy khi M
đm
thi s
đm
= 0,015
Moment định mức:
2'
2Th
2
đm
'
2Th
đm
'
2
2
Th
1
1
đm
)XX()s/RR(
s/RU
m

M
+++
×
×
Ω
=
m.N4110M
)32,12767,1()015,0/317,03745,0(
015,0/317,017,1280
86,53
3
M
đm
22
2
đm
=
+++
×
×=
Năng lực quá tải:
56,2
4110
10528
M
M
m
đm
K
K

===
10.1.2. Khởi động động cơ rotor lồng sóc
a) Khởi động trực tiếp:
Đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn stator
vào lưới điện (hình 10-2). Ưu điểm của phương
pháp này là thiết bị khởi động đơn giản; moment
khởi động M
K
lớn ; thời gian khởi động t
K
nhỏ. Còn
khuyết điểm là dòng điện khởi động I
K
lớn làm ảnh
hưởng đến các phụ tải khác. Vì vậy nó chỉ được
dùng cho những động cơ công suất nhỏ và công suất
của nguồn S
nguồn
lớn hơn nhiều lần công suất động
cơ S
đ.cơ
.
b) Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stator:
Các phương pháp sau đây nhằm mục đích giảm dòng điện khởi động I
K
. Nhưng
khi giảm điện áp khởi động thì moment khởi động cũng giảm theo.
α
. Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator:
Trên sơ đồ hình 10-3 trình bày phương pháp khởi động dùng điện kháng ĐK

(có thể dùng điện trở R
K
). Khi khởi động cầu dao CD2 cắt, đóng CD1 để nối dây
quấn stator vào lưới điện thông qua điện kháng ĐK, động cơ quay ổn định, đóng
CD2 để ngắn mạch điện kháng ĐK, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới. Nhờ có
điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặt vào động cơ giảm làm dòng điện
khởi động giảm.
Gọi k là hệ số làm giảm điện áp khi khởi
động; U
1
là điện áp pha của lưới điện; Z
VK
là tổng
trở ngắn mạch pha (tổng trở vào) của động cơ khi
rotor đứng yên. Điện áp đặt vào động cơ điện khi
khởi động là:
a
U
U
1
K
=
với k > 1
Lúc đó dòng điện khởi động:

VK
1
VK
K
K

aZ
U
Z
U
I
==
(10-7a)
193
ĐC
Hình 10-2 Khởi động trực
tiếp
U
1
CD
ĐC
CD1
CD2
ĐK
U
1
Hình 10-3 Khởi động dùng điện kháng
Dòng điện khởi động trực tiếp.

VK
1
K1
Z
U
I
=

(10-7b)
So sánh (10-7a) và (10-7b), ta thấy
dòng điện khởi động giảm đi k lần,
còn moment khởi động giảm a
2
lần:
M
K
/M’
K
= (U
1
/U
K
)
2
= a
2
(10-8)

VÍ DỤ 10-2
Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, công suất 30hp, 60Hz,
230V nối Y, 6 cực từ, 78A, 1748 vòng/phút, tổng trở pha khi rotor ngắn mạch
0,273∠69
0
Ω. Động cơ khởi động dùng điện trở mắc nối tiếp vào mỗi dây pha. Xác
định (a) điện trở khởi động để dòng điện khởi động bằng ba lần dòng điện định
mức; (b) điện áp pha đặt lên dây quấn stator khi khởi động; (c) mômen khởi động %
của động cơ so với mômen định mức, cho biết m
K

= 1,5.
Bài giải
a. Tổng trở pha khi khởi động:
Z = R
K
+ Z
n
= R
K
+ 0,273∠69
0
= R
K
+ 0,0978 + j0,2549 Ω
Điện áp pha của lưới khi khở động: U
1
= U/
3
= 230/
3
= 132,79 V
Dòng điện khở động: I
K
= 3 x I
đm
= 3 x 78 = 234 A
Mà ta có biểu thức:
22
1
2549,0)0978,0(

79,132
234
++
=⇒=
K
K
R
Z
U
I
⇒ R
K
= 0,4093 Ω
b. Điện áp pha đặt vào động cơ khi khở động:
U
K
= I
K
x Z
n
= 234 x 0,273 = 63,88 V
c. Mômen khởi động tỉ lệ với bình phương điện áp nên:

đmđm
2
đm
2
1
K
đm88,63K

2
K
1
88,63K
đm
K
K
M%7,34M347,0
79,132
88,63
M5,1
U
U
M5,1'M
U
U
M
M5,1
'M
M
⇒=






×=
=









=⇒








==
VÍ DỤ 10-3
194
Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có các số liệu định mức:
5,5kW, 50Hz, 380V nối Y, 4 cực từ, 17,8A, 1455 vòng/phút, góc của tổng trở pha
khi rotor đứng yên 69
0
. Động cơ khởi động dùng cuộn kháng (cho rằng R
cd
=0) mắc
nối tiếp vào mỗi dây pha. Xác định điện cảm L khởi động để dòng điện khởi động
bằng hai lần dòng điện định mức; (b) điện áp pha đặt lên dây quấn stator khi khởi
động, cho biết bội số dòng điện khởi động m
I

= 5,5.
Bài giải
a. Điện cảm khở động của động cơ:
Dòng điện khở động trực tiếp:
I
K
= 2 x I
đm
= 5,5 x 17,8 = 97,9 A
Điện áp pha của lưới khi khở động: U
1
= U/
3
= 380/
3
= 220 V
Tổng trở pha của động cơ khi rotor đứng yên:
Ω===
241,2
9,97
220
I
U
Z
K
1
VK
Z
VK
= 2,241∠70

0
= 0,7665 + j2,1058 Ω
Tổng trở pha lúc khởi động dùng cuộn kháng:
Z = X
K
+ Z
VK
= X
K
+ 2,241∠70
0
= 0,7665 + j(X
K
+ 2,1058) Ω
Dòng điện khở động khi dùng cuộn kháng:
I
K
= 2 x I
đm
= 2 x 17,8 = 35,6 A
Mà ta có biểu thức:
2
K
2
1
K
)105,2X()7665,0(
4,219
6,35
Z

U
I
++
=⇒=
⇒ X
K
= 4,01 Ω
X
K
= 2πfL
K
⇒ L
K
= X
K
/2πf = 4,01/2π.50 = 0,01276 H
= 12,76 mH
b. Điện áp pha đặt vào động cơ khi khở động:
U
K
= I
K
x Z
VK
= 35,6 x 2,241 = 79,8 V
β
. Khởi động dùng mba tự ngẫu:
Trên sơ đồ hình 8-4 trình bày phương pháp khởi động dùng máy biến áp tự
ngẫu, MBA tự ngẫu nối Y với điện áp lấy ra 50, 65, 80% điện áp định mức để đưa
vào động cơ. Trước khi khởi cắt động cầu dao CD2, đóng CD3, MBA TN để ở vị trí

điện áp đặt vào động cơ khoảng 0,65U
đm
, đóng CD1 để nối dây quấn stator vào lưới
điện thông qua MBA tự ngẫu, động cơ quay ổn định, cắt CD3, đóng CD2 để nối
trực tiếp dây quấn stator vào lưới.
195
Gọi a là hệ số biến áp của MBA tự ngẫu; U
1
là điện áp pha của lưới điện; Z
n
là tổng trở pha
của động cơ lúc mở máy. Điện áp đặt vào động
cơ điện khi khởi động là:
a
U
U
1
K
=
Lúc đó dòng điện khởi động:

VK
1
VK
K
K
aZ
U
Z
U

I
==
(10-9)
Dòng điện I
1
lưới điện cung cấp cho
động cơ lúc khởi động là dòng điện sơ
cấp của MBA tự ngẫu:
VK
2
1K
1
Za
U
a
I
I
==
(10-10)
Dòng điện khởi động trực tiếp.

VK
1
1
Z
U
I
=
(10-11)
So sánh (10-10) và (8-11), ta thấy lúc khởi động có MBA tự ngẫu, dòng điện

lưới giảm đi a
2
lần. Đây là ưu điểm so với phương pháp dùng điện kháng. Thường
phương pháp này dùng cho những động cơ công suất lớn. Điện áp đặt vào động cơ
giảm đi k lần thì mômen khởi động M’
K


của động cơ giảm đi:
2
2
K
1
'
K
K
a
U
U
M
M
=









=
(10-12)
VÍ DỤ 10-4
Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, công suất 125hp, 60Hz,
460V nối Y, cosϕ = 0,75, 6 cực từ, 1141 vòng/phút, m
K
= 1,25, m
I
= 6,737. Xác
định (a) dòng điện lưới và mômen khởi động với điện áp lưới 460V; Nếu động cơ
được khởi động bằng MBA tự ngẫu với điện áp 65% điện áp định mức, xác định (b)
dòng điện lưới và mômen khởi động của động cơ.
Bài giải
a. Động cơ khởi động trực từ lưới điện.
Mômen định mức và khởi động của động cơ:
Nm5,780
1141
746125
55,9
n
P
55,9M
đm
đm
đm
=
×
×==
Nm6,9755,7804,1M25,1M
đm

K
=×==
Dòng điện định mức và khởi động của động cơ:
A156
75,0.460.3
746125
cos.U.3
746P
I
đm
đm
=
×
=
ϕ
×
=
A1051156737,6I.737,6I
đm
K
=×==
196
ĐC
CD1
CD2
TN
U
1
Hình 10-4 Khởi động dùng BA TN
CD3

b. Động cơ khởi động qua MBA từ ngẫu.
Điện áp đặt vào động cơ khi khởi động nhơ biến áp tự ngẫu:
U
K
= 0,65. U
1
= 0,65.460 = 299 V
Do tổng trở ngắn mạch của động cơ là không đổi, nên dòng điện khởi động
tương ứng điện áp giảm là:
A15,683105165,0I65,0'I
KK
=×=×=
Mômen khởi động tỉ lệ với bình phương điện áp nên:

Nm6,412
460
460.65,0
5,976
U
U
M'M
U
U
'M
M
2
2
1
K
KK

2
K
1
K
K
=






×=








=⇒









=
Tỉ số biến áp của MBA tự ngẫu:
65,0
1
U.65,0
U
U
U
a
CA
CA
HA
CA
===
Dòng điện lưới khi khởi động với MBA tự ngẫu;
A44415,68365,0
a
I
I
CA
CA
=×==
γ
. Khởi động bằng cách đổi nối Y
→

∆
:
Áp dụng cho động cơ làm việc bình thường nối tam giác ∆. Khi khởi động động
cơ nối hình sao Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối ∆ để làm việc

như trình bày trên hình 10-5.
Điện áp pha khi khởi động:
K
'
Kf
U
3
1
U
=
Dòng điện khi khởi động nối sao:
Kf
'
KfKY
I
3
1
II
==
Dòng điện khi khởi động trực tiếp
(nối tam giác):
KfK
I3I
=
∆
Ta có:
3
3
I
I3

I
I
Kf
Kf
KY
K
==
∆
(10-13)
Còn moment khởi động của động cơ M
K
giảm đi 3 lần, tương ứng với việc
ciamr cảu điện áp.
VÍ DỤ 10-5
Một động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, công suất 60hp, 60Hz,
460V nối Y, 1750 vòng/phút, m
K
= 1,4 có tổng trở khi rôto đứng yên
0,547∠69,1
0
Ω/pha. Động cơ sẽ được khởi động đổi nối Y → ∆, xác định điện áp
lưới (a) động cơ sẽ làm việc; dòng điện khởi động pha và dây (b) khi nối ∆; dòng
điện khởi động pha (c) khi nối Y; .
197
CD1
U
1
Hình 10-5 Khởi động đổi nối Y→ ∆
CD
ĐC

Bài giải
a. Điện áp lưới động cơ sẽ làm việc:
V6,265
3
460
3
U
U
d
===
b. Dòng điện khởi động pha và dây khi nối ∆:
A5,485
547,03
460
Z3
U
I
np
pK
=
×
=
×
=
∆
A845,4853I3I
pKdK
=×=×=
∆∆
c. Dòng điện khởi động khi nối Y:

A3,280
547,03
6,265
Z3
U
I
np
d
pKY
=
×
=
×
=
d. Số lần dòng điện giảm được so với khi khởi động trực triếp
3
3,280
841
I
I
KY
dK
==
∆
lần
e. Mômen định mức và khởi động:
Nm244
1750
74660
55,9

n
P
55,9M
đm
đm
đm
=
×
×==
Nm5,3412444,1M4,1M
đm
K
=×==
f. Mômen khởi động khi nối Y còn lại là:
Nm8,113
6,265
3/6,265
5,341
M
M
U
U
MM
U
U
M
M
2
1
2

1
2
12
2
2
1
2
1
=








×=








=⇒









=
10.2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Người ta đã nghiên cứu nhiều về việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ, nhưng nhìn chung thì các phương pháp này đều có những ưu nhược điểm của nó
và chưa giải quyết được toàn bộ vấn đề như phạm vi điều chỉnh, năng lượng tiêu
thụ, độ trơn khi điều chỉnh, thiết bị sử dụng. Mặc dầu việc điều chỉnh tốc độ động
cơ điện không đồng bộ còn một số khó khăn nhất định, nhưng trong những trường
hợp cụ thể nào đó thì dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp có thể thỏa
mãn được yêu cầu.
Tốc độ của động cơ điện không đồng bộ được cho bởi công thức:
)s1(
p
f60
)s1(nn
1
1
−=−=
vg/ph (10-14)
Nhìn vào biểu thức trên ta thấy: động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc có
thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện stator, đổi nối
dây quấn stator để thay đổi số đôi cực từ p của từ trường hoặc thay đổi điện áp đặt
vào dây quấn stator để thay đổi hệ số trược s. Tất cả các phương pháp điều chỉnh đó
198