datn dc roto day quan 3277 dYfBZ 20130228092708 3

Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

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 đợc đa vào ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập
một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt đợc sự tối u 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 đợc 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 đợc yêu cầu tác động nhanh, độ chính
xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của
hệ truyền động.
Mặc dù là một lĩnh vực tơng đối hẹp nhng truyền động
điện xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto
dây quấn luôn luôn có những 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 phơng pháp điện trở xung em không có tham vọng đi
sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh vực này. Những kết quả đợc trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới chỉ là
những kết quả bớc đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ
án này, em đã thực hiện đợc các nhiệm vụ sau:
Tổng quan các phơng 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
thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đợc những ý
kiến đóng góp của các thầy 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 hớng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hớng dẫn
1


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

và cho nhiều ý kiến đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết
Bị Điện - Điện Tử trờng 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.

I.Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha..........3
II.Mạch điện thay thế...............................................4
III.Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ............6
...................................................................................99

Chơng I

Tổng quan các phơng pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ ba pha

2


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

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 lợng 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 đa ra nhiều phơng
án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp.
Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ đợc 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 u điểm nổi
bật của nó nh: 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

lới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị
biến đổi kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ thống. Các lĩnh vực ứng
dụng của động cơ không đồng bộ nh:
Trong công nghiệp thờng dùng làm nguồn lực cho máy cán
thép loại 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 nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công
nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ
điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng nh
làm quạt gió, máy bơm nớc, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ
Cùng với sự 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 đợc cải thiện và mở rộng.
Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhợc điểm
riêng của nó. Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những u
3


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

điểm kể trên nó có một số nhợc điểm sau: Đặc tính điều
chỉnh không tốt, cos thấp, khống chế các quá trình quá độ
khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi
động tơng 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 u điểm nổi bật của động cơ không
đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc

sống ngày càng đợc 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 m1 pha (thờng 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 m2 > 3). Nh vậy trong động cơ không đồng bộ có
hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên
hệ về cảm ứng từ. Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ
ta có đợc hệ phơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ
lúc rôto quay nh sau:






U1 =- E1+I 1(r1 +jx1);




0 =E'2- I '2 (


r'2
+jx'2 );
s

(I)

E'2 =E1;






I 1+I '2 =I 0;




- E1 =I 0 Zm;
Dựa vào các phơng trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập
đợc mạch điện thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ
khi rôto quay nh sau:

x1 r1 x'2r2
I1 xm -I'2

U1 r'2(1-s)/

I0 rm

4
Hình 1. Mạch điện thay thế hình T
của động cơ không đồng bộ.

Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

Thờng để thuận lợi cho tính toán, ngời ta biến đổi mạch
điện thay thế hình T thành mạch điện thay thế hình đơn
giản hơn:
C1x1 C1r1

C1r'2/s

C1x'2

I1

-I''2
x1 r1 xm
I00 rm

U1

Trong đó:

Z
C1 = 1+ 1 ;
Zm

Hình 2. Mạch điện thay thế

hình của động cơ không
đồng bộ.



U1



I 00 =
gọi là dòng điện không tải lý tởng, nghĩa là
C1 Zm
dòng điện không tải ứng với lúc s = 0;


- I ''2 =



- I '2

gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình



C1

.

Thực tế, C1 chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ,

x1
C
nên có thể coi 1 =1+ =1.
xm
Nh vậy:




I ''2 =I '2 ;




(II)








I ''00 =I 1- I ''2 =I 1- I 2 =I 0;

5

Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

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

x1 r1 xm
I0 rm

III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
Hình 3. Mạch điện thay thế
Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình đơn giản hóa, trị số
hình đơn giản hóa của động
hiệu dụng của dòng điện rôto đã quy đổi về stato I 2 là:
cơ không đồng bộ.
Uf

I '2 =
(1)
r'2 2
2
(r1 +
) + xnm
s
Trong đó:
Xnm = x1 + x2

điện kháng ngắn mạch.

Để tìm phơng 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.0
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
Công suất đó đợc chia làm hai phần: công suất đa ra trục
động cơ Pcơ và công suất tổn hao trong rôto P2 nghĩa là:
P12= Pcơ+ P2
hay
M0 = M + P2
do đó
P2 = M (0 - ) = M0s
Mặt khác:
P2 =3I '22 r'2
6

Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

nên
3I'22 r ' 2
M=
0 s
Thay (1) vào phơng trình trên ta có phơng trình đặc
tính cơ:

M=

3U 2fr'2
r'2
2
0[(r1 + )2 +xnm ]
s

(2)

Kết hợp với phơng trình tốc độ = 0 (1 s) ta có dạng đờng cong đặc tính cơ:


0

(s=sth)

0

Mth

Mđm

M

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

sth =

r'2
2

r1 + (x1 + x'2 )

M th =

2

3U f

=

r'2
2

2

r1 + xnm

(3)

2

20 (r1 + r1 +x nm )
2

2

(4)

Ta có thể viết phơng trình đặc tính cơ dới dạng khác
thuận tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa (2) và (4) rồi biến đổi
ta đợc:
7


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

M=

Trong đó:

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

r
a=1 .
r2

Trong động cơ không đồng bộ thờng r1 r2 mà sth = 0,1 ữ
0,2 nên ta có thể coi asth 0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx:

M=

2M th
s sth
+
sth s

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

sth =

r'2
x nm
2

3U f

M th =
20 x nm

(5)

B. các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ
Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có tần
số f1 thì ta có biểu thức của tốc độ:
= 0 (1 s)
(6)
Trong đó:
tốc độ quay của rôto;
2f
0 0 = 1 tốc độ không tải lý tởng;
p
s

hệ số trợt của động cơ.

Do đó ta có:

8


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

=

2f1
(1 - s)
p

(7)

Từ phơng trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ động
cơ không đồng bộ ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi
các thông số: tần số nguồn f1, số đôi cực p và hệ số trợt s. Tơng
ứng với sự điều chỉnh các thông số trên ta có các phơng 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 lới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ
trờng quay trong máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số
dòng stato ta có thể điều chỉnh đợc tốc độ của động cơ. Để
thực hiện phơng pháp điều chỉnh này ta dùng bộ nguồn biến
tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ nh
sau:
U1
f1
const

Biến
Tần

Đ
Ub fb
var

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền
động điện có điều chỉnh tần số.
Máy điện đợc 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 hởng trực tiếp đến từ thông của

9

Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

máy điện. Quan hệ này có thể đợc phân tích nhờ phơng trình
cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện:


Trong đó:







E1 =c f1 =U1- I 1 Z1



E1 Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato;


Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato;
c Hằng số tỷ lệ;

U1 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 :


U1
=
cf1


Từ phơng trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U 1 (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. Ngợc 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.
Nh vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số
thì ta cũng phải thay đổi điện áp một cách tơng ứng.
Ngời ta chứng minh đợc rằng, khi thay đổi tần số, nếu
đồng thời điều chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải của động
) thì chế độ làm việc của
cơ không thay đổi ( = M th / M c = const
động cơ luôn đợc duy trì ở mức tối u giống nh khi làm việc ở
thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cos của máy trong
toàn dải điều chỉnh gần nh không đổi.
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.
10


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội
-

Trờng Đại học

Khi Mc = const



f 12
f1đm
f 11
0

-

Khi Mc

1


Mc

Mth M

f12
f1đm
f11
Mc

-

0

Khi Mc

M

2



f12

Mc

f1đm
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 u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
bằng cách thay đổi tần số có các u, nhợc điểm sau:
Ưu điểm
Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ.
Dải điều chỉnh tốc độ D lớn.
11


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến
tần mắc trực tiếp từ lới 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 trờng.
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.
Nhợc 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 u điểm, song phạm vi ứng dụng của nó phụ

thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Do vậy, trong thực
tế biến tần thờng đợc 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 đợc 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 trờng 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:
2f
= 1 (1- s)
p
Động cơ đa tốc thờng 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, phơng pháp này hiếm

12


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

khi đợc 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 điện 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 phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng
bộ:

3U 2fr'2
M=
r'2
2
0[(r1 + )2 +xnm ]
s
Ta thấy, có thể làm biến dạng đặc tính cơ bằng cách nối
vào mạch stato một điện trở 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 đợc 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 nh sau:
U


0

M c.cp

xf

Đ

xf2

0

xf1

đt.gh

M

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý và các đặc
tính điều chỉnh của động cơ không
đồng bộ khi dùng kháng trong mạch
trong mạch stato (xf1 > xf2).
Từ mạch điện thay thế hình đơn giản hóa của động cơ
không đồng bộ ta thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng
điện stato và rôto đều giảm xuống, do đó mômen M của động
13


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn 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 phơng trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn
kháng vào stato, khi đó điện kháng ngắn mạch x nm tăng và do
đó, độ trợt tới hạn sthvà mômen tới hạn Mthđều giảm nh trên hình
7.
b. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
bằng cách điều chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có những u, nhợc 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.
Nhợc điểm
Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để
(không điều chỉnh đợc tốc độ không tải lý tởng 0.
Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trợt tới
hạn càng nhỏ, do đó khả năng mang tải càng kém
và độ ổn định tĩnh cũng nh 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 lợng đều xấu, hiệu suất giảm rất
nhanh khi giảm tốc độ và hệ số công suất cos
thấp do nối thêm kháng.
Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ
không đồng bộ rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó
có nhiều nhợc điểm do đó ít đợc dùng trong thực
tế.
2. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato

14


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

a. Nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp. ngời ta dùng bộ nguồn BĐ có điện
áp ra thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển U đk với sơ đồ
nguyên lý hình 8.

Uđk

Biến
Đ ổi
Đ iện
áp

Đ

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 lới, 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 trợt tăng lên.
Theo công thức về mômen M = cmI2, trong đó cm là hằng
số, thì khi điện áp lới U1 = xUđm, thì sức điện động E và từ
thông cùng bằng x lần giá trị ban đầu và I2 tăng lên 1/x lần.
Vì hệ số trợt:
Pcu2 m1I '22 r'2
s=
=
Pđt
M 1
2
nên hệ số trợt s sẽ bằng 1/x lần hệ số trợt cũ và tốc độ động cơ
điện ở điện áp U 1 =xUđm sẽ là:
n =n1(1-

s
)
x2

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

*2
M th.u =M th.U b
0

sth.u =sth.tn =đconst
t.tn

U12

U11

Đặc tính điều chỉnh
có dạng nh sau:

(s=sgh)

15
M
M
M
0
Hình 9. Các đặc tính cơ khi điều
chỉnh điện áp stato, U12 > U11.
th.u

th


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

b. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Phơng pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và cải
thiện các đặc tính điều chỉnh.

Nhợc điểm
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
bằng điện áp có nhợc điểm là làm việc không ổn định do hệ
thống nhạy với sự thay đổi của điện áp.
Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải
là hàm tăng theo tốc độ nh: quạt gió, bơm ly tâm.
IV. Phơng 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 Rf 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 cơ của
U
động cơ không đồng
bộ khi điều chỉnh bằng phơng pháp này

nh sau:
a

0
1

Đ

b

2

a'

Rf
M
M
16 M
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính
cơ của động cơ không đồng bộ điều
0

c

th


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự
nhiên có tải là Mc và tốc độ là 1, 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 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 < M c nên hệ giảm
tốc. Mặt khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trợt 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 =
Mc thì hệ xác lập nhng với tốc độ mới 2 < 1. Trạng thái này ứng
với điểm a trên đặc tính điều chỉnh.
Từ phơng trình (3) và (4):

sth =
M th =

r'2
2

r1 + (x1 + x'2 )

2

3U f

=

r'2
2

2

r1 + xnm

(3)

2

20 ( r1 + r1 +x nm )
2

2

17

(4)


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

Ta thấy, khi

tăng điện trở rôto thì độ trợt giới hạn sth tăng và mômen tới hạn
Mth không đổi.
2. Các u, nhợc 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.
Nhợc điểm
Dải điều chỉnh tốc độ bé.

Tổn hao năng lợng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở R f.
Phạm vi ứng dụng
Từ các u, nhợc điểm trên, đây là một phơng pháp
đợc sử dụng rộng rãi, mặc dù đây không phải là phơng pháp kinh tế nhất. Nó đợc ứng dụng nhiều
trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
rôto dây quấn. Phơng pháp này đợc 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 nh cần
trục, cầu trục
V. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ bằng sơ đồ nối tầng
1. Nguyên lý điều chỉnh

18


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các
sơ đồ nối tầng đợc thực hiện bằng cách đa vào rôto của nó một
sức điện động Ef. Sức điện động phụ này có thể cùng chiều
hoặc ngợc chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto E 2
và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện động phụ có thể là
xoay chiều hoặc một chiều nh sơ đồ nguyên lý sau:

Đ

Đ
Ef
Ef=

Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đa 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 nh sau:
Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu
thụ năng lợng từ lới và sinh năng lợng trợt ở mạch rôto Ps = M 0s.
Khi đa Ef vào, dòng điện rôto khi đó




E2- E f
I2 =
Z


(8)

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 Ef lên thì
dòng I2 giảm, mômen điện từ của động cơ giảm và có giá trị
nhỏ hơn mômen Mc, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi tốc độ
giảm, độ trợt 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 M c thì quá trình
giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ hơn trớc.
Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không tải lý tởng
0lt. Khi Ef = 0 động cơ làm việc trên đặc tính gần đặc tính
tự nhiên.
19


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

2. Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Chỉ tiêu năng lợng cao do tận dụng đợc công suất trợt ở mạch rôto.
Nhợc 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 tốc độ giảm xuống.
Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp điều chỉnh công suất trợt thờng áp
dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đó
tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn. Phơng pháp
này nên áp dụng cho các truyền động có số lần
khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì thờng ta
khởi động bằng phơng pháp khác cho đến khi tốc
độ đến vùng làm việc thì mới sử dụng phơng pháp
này để điều chỉnh tốc độ.

Kết luận:
Từ việc phân tích các u, nhợc điểm của các phơng 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 phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng điện trở
xung rôto là thích hợp nhất.
Chơng II

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


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của động
cơ Jđ/c = 0,837 Kgm2.
Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U 1 = 380
V; tần số f1 = 50 Hz.
Hiệu suất của động cơ:
Pđm
=
100%

3U 1I 1đm cos đm
7,5.103
=
100% =74,75%
3.380.20,6.0,74
Hệ số trợt 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;
Nh 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 =sE20
E 2 =0,073.254=18,542V
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 +x2nm
s

Tỷ số biến đổi điện áp:

21

(*)


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

ke =

E1 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:

ke =ki =1,42
r1= 1,04 ;
r2 = k.r2 = ke2.r2 = 1,422.0,462
r2 = 0,932 ;
xnm = x1 + x2 = x1 + ke2.x2 = 0,833 + 1,422.0,611
xnm = 2,065 ;
Uf = 220 V.
Thay các giá trị trên vào (*) ta có:

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

I 2 =ki .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 thiết kế là loại động cơ
ba pha sử dụng điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz và điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh xung điện trở
mạch rôto. Do vậy, động cơ đợc mắc trực tiếp vào lới điện ba
pha có điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz.
Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
điều chỉnh điện trở phụ mắc vào mạch rôto. Hệ thống điện
trở phụ bao gồm ba biến trở Rf mắc vào ba pha của dây quấn

rôto thông qua hệ thống vành trợt. Sử dụng biến trở trong việc
22


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

điều chỉnh tốc độ động cơ là một phơng pháp đơn giản nhng có nhiều nhợc điểm. Phần lớn các nhợc điểm đều liên quan
đến dạng đặc tính cơ mềm và dùng điện trở nhiều cấp trong
mạch lực.
U1=380V

~
AP
K
RN

Đ
Rf

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

Trong sơ đồ trên:
AP - áp tô mat;
23

Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

K - công tắc tơ có dập hồ quang;
RN - rơle nhiệt;
Rf - điện trở điều chỉnh mạch rôto.
I. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto
Để khắc phục một số nhợc điểm quan trọng trên và mở ra
khả năng tự động hóa hệ thống, ngời ta dùng phơng pháp điều
chỉnh xung điện trở. Đây là một phơng pháp phát triển của phơng pháp biến trở. Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp này nh
U~
sau:
R
Rx

Rx

K

Rx

Rx

Hình 13. Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh
xung điện trở và điện trở xung Rx.
Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng điện
trở xung Rx. 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 tởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân
khi đóng là Kkh= 0 và khi cắt là R kh= , thì khi K đóng Rx= 0,
và khi K cắt Rx=R. Nh 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 trờng hợp này sẽ có một giá trị tơng đơng nằm giữa 0 và R. Nó phụ thuộc vào tơng quan giữa
các thời gian đóng tđ và thời gian cắt tc của khóa. Giá trị đó
quyết định độ cứng của đặc
U~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 mạch
Đ
rôto làm cho mạch điều khiển phức
tạp và khó điều chỉnh. Vì
vậy, ta thờng dùng một điện trở xung Rx và một bộ chỉnh lu có
sơ đồ nh sau:
CL
R

K

Rx

24
Hình 14. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh
xung điện trở rôto kết hợp với bộ chỉnh


Đồ án tốt nghiệp
Bách Khoa Hà Nội

Trờng Đại học

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

U~
Đ

R

K

Rx

Hình 15. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh
xung điện trở rôto.

25