đồ án điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ kđb công suất lớn

Mục Lục

1


LỜI NÓI ĐẦU
Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử
dụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và
sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc
biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động
động cơ do khi khởi động roto ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện
khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động
thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các
thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không
đồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để
giảm dòng điện và moment khởi động.
Đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế hệ truyền động điện, ổn định tốc độ động
cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn ”. Được trình bày trình bày trong bốn
nội dung :
Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha và các
phương án điều chỉnh tốc độ động cơ.
Chương 2 : Thiết kế hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ công
suất lớn
Chương 3 : Kết nối biến tần LS IG5A với động cơ không đồng bộ 3 pha
công suất lớn
Chương 4 : Xây dựng mô hình thực nghiệm
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Công Cường và
các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện Tử đã tận tình giúp đỡ chúng em
hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, tháng 03 năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Mậu Hoàng
Thân Văn Huân
Đào Sỹ Nghĩa

2


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA VÀ
CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.1 MỞ ĐẦU
Loại máy điện quay đơn giản nhất là loại máy điện không đồng bộ
(KĐB). Máy điện KĐB có thể là loại một pha, hai pha hoặc ba pha, nhưng
phần lớn máy điện KĐB ba pha, có công suất từ một vài W tới vài MW, có
điện áp từ 100V đến 6000V.
Căn cứ vào cách thực hiện rotor, người ta phân biệt hai loại: loại có
rotor ngắn mạch và loại có rotor dây quấn. Cuộn dây rotor dây quấn là cuộn
dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều.
Cuôn dây rotor ngắn mạch 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 ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền,
còn máy điện rotor dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhưng có tính năng động tốt
hơn, do đó có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh.
1.2 CẤU TẠO
Máy điện quay nói chung và máy điện không đồng bộ nói riêng gồm
hai phần cơ bản: phần quay (rotor) và phần tĩnh (stato). Giữa phần tĩnh và
phần quay là khe hở không khí.

Hình 1. 1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

3


1.2.1 Cấu tạo của stato
Stato gồm 2 phần cơ bản: mạch từ và mạch điện.
1.2.1.1 Mạch Từ
Mạch từ của stato được ghép bằng các lá thép điện có chiều dày khoảng
0,3- 0,5mm, được cách điện hai mặt để chống dòng Fuco. Lá thép stato có
dạng hình vành khăn, phía trong được đục các rãnh. Để giảm dao động từ
thông, số rãnh stato và rotor không được bằng nhau. Mạch từ được đặt trong
vỏ máy.Ở những máy có công suất lớn, lõi thép được chia thành từng phần
được ghép lại với nhau thành hình trụ bằng các lá thép nhằm tăng khả năng
làm mát của mạch từ. Vỏ máy được làm bằng gang đúc hay gang thép, trên
vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt. Để tăng diện tích tản nhiệt. Tùy theo yêu
cầu mà vỏ máy có đế 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 lắp máy có giá đỡ ổ bi. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây.
1.2.1.2 Mạch điện:
Mạch điện là cuộn dây máy điện được quấn quanh mạch từ.
1.2.2 Cấu tạo của rotor
1.2.2.1 Mạch từ
Giống như mạch từ stato, 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 được gắn với nhau thành
hình trụ, ở tâm lá thép mạch từ được đục lỗ để xuyên trục, rotor gắn trên
trục. Ở những máy có công suất lớn rotor còn được đục các rãnh thông gió
dọc thân rotor.
1.2.2.2 Mạch điện:
Mạch điện rotor được chia thành hai loại: loại rotor lồng sóc và loại

rotor dây quấn.
Loại rotor lồng sóc (ngắn mạch):
Mạch điện của loại rotor này được làm bằng nhôm hoặc đồng thau.
Nếu làm bằng nhôm thì được đúc trực tiếp và rãnh rotor, hai đầu được đúc
hai vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chính vì vậy gọi là
rotor ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì được làm thành các thanh dẫn và
đặt vào trong rãnh, hai đầu được gắn với nhau bằng hai vòng ngắn mạch
4


cùng kim loại. Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loại
rotor này có tên rotor lồng sóc. Loại rotor ngắn mạch không phải thực hiện
cách điện giữa dây dẫn và lõi thép.
Loại rotor dây quấn:
Mạch điện của loại rotor này thường được làm bằng đồng và phải cách
điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống như thực hiện cuộn dây
máy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trước. Cuộn dây rôto dây quấn có
số cặp cực và pha cố định. Với máy điện ba pha, thì ba đầu cuối được nối với
nhau ở trong máy điện, ba đầu còn lại được dẫn ra ngoài và gắn vào ba vành
trượt đặt trên trục rôto, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài.
1.2.3 Nguyên lý hoạt động
Động cơ làm việc dựa vào định luật về luật điện từ F tác dụng lên
thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có
từ cảm B.
Chiều và độ lớn của lực F được xác định theo tích véc tơ F=i.l.B. Đó
chính là định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng.
Khi động cơ được cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra
trong lõi sắt stato một từ trường quay với tốc độ đồng bộ
n1=
(f1 là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực của máy)

Khi từ trường này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên
lõi sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện. Từ
thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông
tổng ở khe hở. Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở
này sinh ra mômen. Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng
bộ n (n < n ). Để chỉ phạm vi tốc độ của động cơ người ta dùng hệ số
1

trượt s, theo định nghĩa hệ số trượt bằng :
S=

hay

s%= *100

Như vậy khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 1, khi n

n thì độ trượt s =
1

0
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ
1.3.1 Đặt vấn đề
Theo yêu cầu của sản phẩm, động cơ điện lúc làm việc thường phải
khởi động và dừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình
của lưới mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện khác nhau. Có khi yêu
5

cầu mômen khởi động dòng lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động
và có khi cần cả 2. Những yêu cầu trên đòi hỏi phải có tính năng khởi
động thích ứng.
Trong nhiều trường hợp do phương pháp khởi động hay do chọn động
cơ có tính năng khởi động không thích đáng nên thường gây nên những sự
cố không mong muốn.
Nói chung khi khởi động động cơ cần xét đến để thích ứng với đặc tính
cơ của tải.
Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải
Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt
Phương pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn
Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càng tốt.
Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau, khi yêu cầu dòng
điện khởi động nhỏ thường làm cho momen khởi động giảm theo hoặc
cần các thiết bị phụ tải đắt tiền. Vì vậy căn cứ vào điều kiện làm việc cụ
thể mà chọn phương pháp khởi động thích hợp.
1.3.2 Khởi động động cơ KĐB
a) Khởi động trực tiếp
Khởi động là quá trình đưa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im)
vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức.
Khởi động trực tiếp, là đóng động cơ vào lưới không qua một thiết
bị phụ nào. Việc cấp một điện áp định mức cho stato động cơ KĐB rotor
lồng sóc hoặc động cơ KĐB ro to dây quấn nhưng cuộn dây rotor nối tắt,
khi rotor chưa kịp quay, thực chất động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch.
Dòng động cơ rất lớn, có thể gấp dòng định mức từ 4 đến 8 lần. Tuy dòng
khởi động lớn như vậy nhưng mô men khởi động lại nhỏ do hệ số công
suất cos rất nhỏ (cos = 0,1- 0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị
0

0

giảm do điện áp giảm làm cho mô men khởi động càng nhỏ.
Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả sau:
Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lượng toả ra ở máy nhiều
(đặc biệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động)
Vì thế trong sổ tay kĩ thuạt sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi động
tối đa, và điều kiện khởi động.
Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lưới điện lớn, gây trở ngại cho
các phụ tải cùng làm việc với lưới điện.
Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có
6


công suất nhỏ so với các công suất của nguồn, và khởi động nhẹ (moment
cản trên trục động cơ nhỏ). Khi khởi động nặng người ta không dùng
phương pháp này.
b) Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động
Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức:

Ingm=
Từ biểu thức này chúng ta thấy để giảm dòng khởi động ta có các
phương pháp sau:
- Giảm điện áp nguồn cung cấp
- Đưa thêm điện trở vào mạch rotor
- Khởi động bằng thay đổi tần số.
- Giảm điện áp
Người ta dùng các phương 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 phương pháp giảm điện áp là cùng với việc

giảm dòng khởi động, mô men khởi động cũng giảm.
* Khởi động bằng phương pháp tần số.
Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay người ta đã chế tạo
được các bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó ta có
thể áp dụng phương pháp khởi động bằng tần số. Thực chất của phương
pháp này như sau: Động cơ được 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 giá trị định mức, thì tốc độ
động cơ đạt giá trị định mức. Phương pháp khởi động này đảm bảo dòng
khởi động không vượt quá giá trị dòng định mức.

1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.4.1 Thống kê năng lượng của động cơ
Về nguyên lý, máy điện không đồng bộ có thể làm việc như máy phát
7


điện hoặc động cơ không đồng bộ. Ở chế độ làm việc động cơ, năng lượng
điện được cung cấp từ lưới điện và chuyển sang rotor bằng từ trường
quay. Dòng năng lượng được biểu diễn như sau :
- Công suất nhận từ lưới điện:
P1=m1U1I1cosφ1

(1-10)

Ở

stato, năng lượng bị mất một phần do tổn hao ở điện trở cuộn
dây ( ∆ P

)và trong lõi thép (∆ P
). Vậy công suất điện từ chuyển
Cu1
Fe1
từ stato sang roto như sau:
(1-11)

=
Trong đó

==. Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số.

Tổn hao lõi thép phía rotor bỏ qua, vì khi làm việc định mức tần
số f2 = (1 - 3)Hz. Công suất điện từ chuyển sang rotor sẽ ứng với công suất
tác dụng sinh ra ở điện trở R2‟/s vậy:
Pđt= == +

(1-12)

Thành phần thứ nhất là do tổn hao đồng ở cuộn dây rotor
==

(1-13)

Phần công suất còn lại được chuyển sang công cơ học trên trục động cơ,
vậy:
==
Công suất cơ được chuyển sang công suất hữu ích ∆ P và tổn hao
2
cơ các loại (∆P ) như: ma sát ổ bi, quạt gió, ma sát rotor với không

Cơ
khí v.v. ngoài ra còn tổn hao phụ do sóng bậc cao, do mạch từ có răng
( ∆ P ). Tổn hao phụ rất nhỏ ( ∆ Pp ≈ 0,005P ).
p
1
Vậy công suất hữu ích tính như sau:
P2= Pcơ - ∆Pcơ - ∆Pp
Tổng tổn hao của động cơ có giá trị:
∆P =∆ + ∆ +∆+∆+∆
Hiệu suất của động cơ:
8


= = = 1Sơ đồ năng lượng của máy điện KĐB biểu diễn trên hình sau :

Hình 1. 2 Sơ đồ năng lượng của động cơ không đồng bộ
1.4.2 Phương trình đặc
tính cơ
Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay
chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì có thể
xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. Đó là sơ đồ điện 1 pha phía stator
với các đại lượng điện ở mạch rotor đã được qui đổi về stator:
I

X1

R1

Hình 1. 3 Sơ đồ thay thế 1 pha ĐCKĐB
9

Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha
mà rotor không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điện
động cảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số qui đổi sức
điện động là:

KE=
Từ đó ta có hệ số qui đổi dòng điện:

KI =
Và hệ số qui đổi trở kháng: KR = KX = =
Với các hệ số qui đổi này, các đại lượng ở rotor được qui đổi về phía stator
theo cách sau:
- Dòng điện :

I’2 = KI.I2

- Điện kháng :

X’2 = KX.X2

- Điện trở :

R’2 = KR.R2

Các đại lượng khác trên sơ đồ thay thế hình 2.1:
I0 – dòng từ hóa của động cơ.
Rm, Xm – điện trở và điện kháng mạch từ hóa.
I1 – dòng điện cuộn dây stator.

R1,X1 – điện trở và điện kháng cuộn dây stator.
Dòng điện rotor qui đổi về stator được tính từ sơ đồ thay thế:

I’2=
Khi động cơ hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang
rotor thành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P2
đốt nóng cuộn dây:

P12 = Pcơ + ∆P2
Nếu bở qua tổn thất phụ thì có thể xem momen điện từ Mđt của động cơ
bằng momen cơ Mcơ:

Mđt = Mcơ = M
Từ đó:

P12 = M.ω0 = Mω + ∆P2

Suy ra :

M ==

Mặt khác, công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha là:

∆P2 = 3.R’2.I’22
10


Thay vào phương trình tính moment ta được:

M=

Trong đó Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch.
Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là phương
trình đặc tính cơ của ĐCKĐB 3 pha.
Với những giá trị khác nhau của s (0 s 1) phương trình đặc tính cơ cho
ta những giá trị khác nhau của M. Đường biểu diễn M = f(s) gọi là đường đặc
tính cơ:

Hình 1. 4 Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị K gọi là điểm tới hạn. Tại đó:

=0
Giải phương trình ta có:

Sth =
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

Mth =
1.4.3
11

Ảnh hưởng của


việc thay đổi tần số
nguồn cung cấp đến đặc
tính cơ
Phương trình đặc tính cơ cho ta thấy đặc tính cơ của ĐCKĐB chịu ảnh
hưởng của nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2,
điện trở và điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p và tần số lưới. Ở đây chỉ đề

cập đến ảnh hưởng của tần số lưới đến đặc tính cơ động cơ KĐB 3 pha. Khi f
thay đổi thì các thông số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn,
momen tới hạn.
Khi thay đổi f1 thì tốc đô đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng
bị thay đổi (X = 2 f L) kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn Sth và
momen tới hạn Mth.
Ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator
R1 = 0 thì Mth là:

Mth=
Mặt khác:

ω0 =
Xnm = X1 + X’2 = ω1L1 + ω1L’2 = ω1.(L1 + L’2) = ω1.Lnm
Thay vào phương trình Mth ta có:

Mth=
Đặt

:

Suy ra:

A= = cons

Mth=A.

Biểu thức trên cho ta thấy rằng khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên
U1ph thì momen tới hạn giảm rất nhiều. Do đó khi thay đổi tần số nguồn thì
đồng thời phải thay đổi U1ph theo các qui luật nhất định đảm bảo sự làm việc

tương ứng của động cơ với nhiều loại tải khác nhau ( hình 2.3). Nghĩa là tỷ số
giữa momen cực đại và momen phụ tải đối với các dạng đặc tính cơ là hằng
số:
= = const
từ biểu thức Mth ta có:
12


= A.= A.
Với Mc là đặc tính cơ của tải, biểu thức thực nghiệm mang tính tổng
quát của Mc như sau:
Mc = Mco + ( Mcđm – Mco)
Khi xem Mco ≈ 0 thì biểu thức trên sẽ là:
Mc = Mcđm= Mcđm
Thay vào ta có:
Với:

= => ==const

- Mc là momen cản của tải đối với trục quay ở tốc độ n.
- Mcơ là momen cản của tải đối với trục quay khi n = 0.
- Mcđm là momen cản cảu tải đối với trục quay khi n = nđm.
- x là số mũ đặc trưng mô tả đang đặc tính cơ của tải khác nhau.

Hình 1. 5 Đặc tính cơ của các dạng phụ tải
Như vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay
đổi tần số ta phải có bộ nguồn xoay chiều có khả năng điều chỉnh tần số điện
áp đồng thời theo các qui luật sau:
=const, ứng với Mc = Mcđm = const ( x = 0) như hệ thống nâng hạ,
thang máy…

13


= const, ứng với Mc = a + bn ( x= 1) như máy phát một chiều…
=const, ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn2 ( x = 2) như quạt, máy
bơm…
=const, ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn-1 ( x = -1) như máy cuốn
dây, cắt kim loại…

Hình 1. 6 Các dạng đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số theo qui
luật điều chỉnh U và f

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor R .
f

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato.
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ.
14


- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa.
- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng.
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn
Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách
thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao
nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều
bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng

động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây
xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay
đổi tần số nguồn f .
1

1.5.1 Điều chỉnh tốc độ
dộng cơ KĐB bằng cách
thay đổi điện trở phụ

trong mạch rotor

Hình 1. 7 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc
b) Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB
Nguyên lí điều chỉnh: Khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì
Sth sẽ thay đổi tỉ lệ còn Mth=const ta sẽ được 1 họ đặc tính cơ có chung ,
Mth có tốc độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng
Qua hình 1.7 ta có Mth=const
Và: 0< R2f115


< <...
<<<....<<....
>>>...>>...
Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ
cứng đặc tính cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn
định, thậm chí khi R2f=R2f.ic dẫn đến Mn=Mc làm cho động cơ không quay
được.
Và khi thay đổi các giá trị R2f.c > R2f.ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng
không nghĩa là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không

triệt để.
Các chỉ tiêu chất lượng của phương pháp:
-Phương pháp này có sai số tĩnh lớn nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s%
càng lớn có thể s% > s%cp
-Phạm vi điều chỉnh hẹp
-Vùng điều chỉnh dưới tốc độ định mức
-Phù hợp với phụ tải thế năng, mà khi điều chỉnh mà giữ dòng điện rotor
không đổi thì momen cũng không đổi
* Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rotor để điều chỉnh
tốc độ động cơ KĐB có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền dễ điều chỉnh tốc độ động
cơ. Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng.
*Nhược điểm: Điều chỉnh không triệt để, khi điều chỉnh càng sâu thì sai
số tĩnh càng lớn, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch rotor dòng
rotor lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ công suất điều chỉnh lớn tổn
hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn.
1.5.2 Điều chỉnh động
cơ KĐB bằng cách thay
đổi điện áp stator
Momen động cơ KĐB tỉ lệ với bình phương điện áp stator nên có thể
điều chỉnh momen và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ
tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều như hình 1.8

16


Hình 1. 8 a) Sơ
điều chỉnh tốc độ
động cơ KĐB
bằng điện áp

đồ
stato

b) Các
tính điều chỉnh
bằng điện áp
động cơ KĐB

đặc
stato

Nếu
coi
bộ
ĐAXC là nguồn
lí tưởng (Zb=0), khi Ub = Udm thì momen tới hạn Mth.u tỉ lệ với bình
phương điện áp, còn Sth.u = const:
Mth.u= =
= = const
Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của
động cơ người ta mắc thêm điện trở phụ R2f. Khi đó nếu đặt điện áp vào stato
là định mức ( Ub=U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là
đặc tính giới hạn
Mth.gh= Mth
Trong đó: Mth.gh và Sth.gh là momen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính
giới hạn. Mth và Sth là momen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên
Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s) và nếu = const ta suy ra đặc tính điều
chỉnh ứng với giá trị Ub cho trước nhờ quan hệ:
Mu = ; Mu=
Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.52b

*Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi
điện áp stato được sử dụng rộng rãi vì thực hiện dễ dàng và tự động hóa. Xét
về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không đang kể nhưng
điện áp stato bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ lớn
do đó hiệu suất không cao
1.5.3 Điều chỉnh động
cơ KĐB bằng cách thay
đổi số đôi cực p
17


Theo quan hệ:

=
Trong đó: f1 là tần số lưới điện, p là số đôi cực.
Vậy, thay đổi số đôi cực p, sẽ điều chỉnh được và sẽ điều chỉnh được .
Để có thể thay đổi được số đôi cực p, người ta phải chế tạo những động cơ
ĐK đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau,
gọi là máy đa tốc. Có hai cách đấu như sau:

Hình 1. 9 Sơ đồ đổi nối - YY

18


Hình 1. 10 Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY

Khi đổi nối - YY ta có những quan hệ sau. Khi nối hai đoạn dây stato
nối tiếp nên:
=;=

Và tương ứng

= ; = ;=

Trong đó: r1, r2, x1, x2 điện trở và điện kháng mỗi đoạn dây stato và roto.
Đặt điện áp lên dây quấn mỗi pha là Uf =
Do đó: ==

==
Nếu nối YY thì:
R1YY=r1; X1YY=X1 ; R2YY=r2; X2YY=X2
Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là UfYY = U1 vì vậy:
===
==
Ta thấy: =
19


Như vậy khi nối tam giác sang sao kép tốc độ không tải lí tưởng tăng 2
lần, giữ nguyên, giảm 1/3
Khi đổi nối Y-YY:
=
=
=; =
+ Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách
thay đổi số đôi cực là thiết bị đơn giản, rẻ tiền, các đặc tính cơ đều cứng và
khả năng điều chỉnh triệt để (điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng).
Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thất
trượt khi điều chỉnh thực tế không đáng kể.
+ Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, dải điều

chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn.
1.5.4 Điều chỉnh động
cơ KĐB bằng cách thay
đổi tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn
và số đôi cực từ theo công thức:
=
Mà ta lại có, tốc độ của rotor động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ
theo công thức:
= (1-s)
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f hoặc thay đổi số đôi cực từ có
1

thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được
chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần
số nguồn f . Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ
1

của động cơ. Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo
(X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên.
Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ
không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy
người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó
sao cho từ thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thể là từ thông stato
Φ , từ thông của rotor Φ , hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φ . Vì momen
1

2

µ

động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông
không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều
20


khiển như sau:
- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const
- Luật dòng điện không tải không đổi: I = const
o

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

* Phương pháp điều chỉnh U/f = const
Sức điện động của cuộn dây stato E tỷ lệ với từ thông Φ và tần số f
1

1

1

theo biểu thức:
=K

=

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

=K
Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U /f không đổi.
1 1

Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U /f được giữ không đổi và bằng tỷ
1 1

số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm
tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E giảm, nghĩa là từ thông động cơ
1

giảm. Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
Momen tới hạn :

Mth=
Khi hoạt động ở định mức:

Mdm=
=

Ta có công thức

a=
Với là tần số làm việc của động cơ , là tần số định mức. Theo luât U/f=
const
21


= => = =a

Ta được: = a
=a
Phân tích tương tự, ta cũng thu được :

ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay các giá trị trên ta thu được
công thức tính momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định
mức:
M=

=.
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X và X phụ thuộc vào tần
1

2

số trong khi R lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X
1

1

’

+ X2 2) >> R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn
đến từ thông được giữ gần như không đổi. Momen cực đại của động cơ
gần như không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R /a sẽ tương
1

’

đối lớn so với giá trị của (X + X 2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato
1

khi momen tải lớn. Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ
thông
momen cực đại. Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp
thêm cho động cơ điện một điện áp U để từ thông của động cơ định mức khi
o

f = 0. Từ đó ta có quan hệ sau:
U1 =Uo + Kf1 (1-43)

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U cấp cho động cơ
1

U=U

đm

tại f = f

đm

. Khi a > 1 (f > f

đm

), điện áp được giữ không đổi và bằng

định mức. Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là

đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương
pháp điều khiển U/f=const:

22


Hình 1. 11 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo
tần số theo luật điều khiển U/f=const
Từ đồ thị ta có nhận xét sau:
+ Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn.
+ Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở
tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ
định mức. Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.
+ Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức
bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên
điện áp định mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng
trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
+ Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự
thay đổi của tần số theo thời gian.
*Ưu điểm:
- Điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu
- Hệ thống điều chỉnh tốc độ đơn giản dễ dàng
- Thay đổi tốc độ động cơ cùng một lúc
- Cho phép mở rộng dải điều chỉnh
- Đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau
- Tiết kiệm điện năng
*Nhược điểm:
- Sử dụng linh kiện bán dẫn có giá thành đắt
1.5.5 Điều chỉnh động
23

cơ KĐB bằng
kháng bão hòa

cuộn

a) Sơ đồ nguyên lí:
Kháng bão hòa gồm cuộn làm việc Wlv và cuộn từ hóa Wth quấn chúng
lên một gông từ. Nó có thể là 1 pha hoặc 3 pha. Sơ đồ nối kháng bão hòa để
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ như sau:

Hình 1. 12 Sơ đồ nguyên lí điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng
phương pháp dùng kháng bão hòa
Khi thay đổi dòng từ hóa Ith nhờ biến trở đặt tốc độ, độ từ thẩm của lõi thép sẽ
thay đổi do đó điện kháng của cuộn làm việc W lv biến đổi điện áp đặt vào,
động cơ biến cho ta các đặc tính cơ như hình vẽ (1.13) mỗi vùng ứng với 1 trị
số của dòng từ hóa Ith.
b) Đặc tính cơ

24


Hình 1. 13 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng kháng
bão hòa
Hệ thống này có 2 vùng chết không điều chỉnh được. Vùng thứ nhất nằm
giữa đặc tính cơ có Imax và đặc tính cơ tự nhiên. Vùng thứ 2 nằm giữa trục
tung và đường có Ith=0. Sở dĩ có 2 vùng này vì dòng từ hóa đạt được cực đại
Imax nhưng Xlv vẫn có một giá trị nhỏ gây sụt áp nên đặc tính này không trùng
với đặc tính cơ tự nhiên. Còn khi cuộn kháng bị khử từ hoàn toàn I th=0 thì Xlv

vẫn còn giá trị hữu hạn nên đặc tính cơ không tương ứng không thể sát trục
tung.
c) Nhận xét
Ta thấy cuộn kháng bão hòa như 1 biến kháng không tiếp điểm. Nó cho
phép điều chỉnh tinh. Đồng thời xây dựng được hệ tự động hóa để ổn định tốc
độ. Hệ kháng bão hòa có đặc tính cơ có momen Mmax lớn. Khả năng quá tải
và ổn định cao sai số tốc độ đặc nhỏ. Hệ này có dải điều chỉnh D= 2-5. Tuy
nhiên muốn mở rộng dải điều chỉnh thì tổn thất trượt trong roto ( M, , S) quá
lớn. Vì vạy động cơ bị đốt nóng quá mức.
1.5.6 Điều chỉnh động
cơ KĐB bằng phương
pháp nối tầng
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi
các thông số của đông cơ hoặc thay đổi các thông số của nguồn cung cấp đều
có nhược điểm cơ bản là không tận dụng được tổn thất công suất trượt ở mạch
rôto . Tổn thất công suất trượt này trong hầu hết các trường hợp đều tiêu tán
vô ích dưới dạng nhiệt trên điện trở mạch rôto . Vì vậy chỉ tiêu năng lượng
của các phương pháp này đều thấp . Đối với những động cơ KĐB rôto dây
25