NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG BIẾN tần và bộ KHỞI ĐỘNG mềm điều KHIỂN ĐỘNG cơ CÔNG SUẤT lớn

Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta hiện nay đang hội nhập ngày càng sâu rộng vào nền kinh tế thế giới,
việc cạnh trạnh về thị trường là rất khốc liệt. Để có được những sản phẩm cạnh tranh thì
cần phải thay đổi cơng nghệ sản xuất lạc hậu, thay vào đó là những dây chuyền sản xuất
khép kín, tính tự động hóa cao nhằm mang đến những sản phẩm chất lượng với giá thành
rẻ, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.
Với những ưu điểm như hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành rẻ và chi phí
vận hành hằng năm thấp. Do đó, động cơ khơng đồng bộ đáp ứng được các yêu cầu cao
trong điều khiển và được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt
là sản xuất công nghiệp…. Tuy nhiên, do cấu trúc phi tuyến với nhiều thông số nên việc
điều khiển động cơ khơng đồng bộ là khó khăn.
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, vi điều khiển
nhiều phương pháp điều khiển mới đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng
bộ. Sử dụng biến tần và khởi động mềm là hai phương pháp điều khiển động cơ tiên tiến
hiện nay, được ứng dụng rộng rãi với nhiều tính năng, đảm bảo các yêu cầu điều khiển.
Đây cũng là lí do mà nhóm chúng em lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG
BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT
LỚN” cho đồ án của chúng em. Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Văn Hải cùng với các thầy
cô giáo trong khoa, các bạn, đến nay đồ án của em đã hồn thành.
Với khả năng kiến thức cịn nhiều hạn chế, do đó bản đồ án này sẽ khơng tránh
khỏi những thiếu xót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ q thầy cơ
và các bạn để đồ án này được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 6 năm 2012.
SVTH:

Dương Đức Đạt.
Phạm Văn Cường.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 1


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Tp.Hồ Chí Minh, Ngày….. tháng….. năm 2012.
Giáo viên hướng dẫn.

(ký và ghi rõ họ tên)

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 2


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Tp.Hồ Chí Minh, Ngày….. tháng….. năm 2012.
Giáo viên phản biện.
(ký và ghi rõ họ tên)

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 3


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .......................................................... 2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................. 3
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................... 6
1.1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ...............................................................................6
1.2. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................... 6
1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................... 6
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................ 7
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA .......... 7
2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ........................... 8
2.2. CẤU TẠO............................................................................................................. 9
2.2.1. Phần tĩnh (Stator) ............................................................................................ 8
2.2.2. Phần quay (Rotor) ........................................................................................... 10
2.2.3. Khe hở khơng khí ............................................................................................ 11
2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .............................................................................. 11
2.4. CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA .......................................................................................... 14

2.4.1. Những yêu cầu đặt ra trong quá trình điều khiển động cơ .............................. 14
2.4.2. Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ .................................... 16
2.4.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ......................... 24
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN .............................................................. 29
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN ......................................................................................... 29
3.2. CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA BIẾN TẦN ................................................ 29
3.2.1. Biến tần trực tiếp ............................................................................................. 29

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 4


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

3.2.2. Biến tần gián tiếp ............................................................................................ 33
3.3. ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN TRONG THỰC TẾ ........................................... 36
3.4. MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG BIẾN TẦN ................................................... 38
3.5. MỘT SỐ LOẠI BIẾN TẦN TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY ........................ 38
3.6. ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN ABB- ACS150................................................... 45
3.6.1. Khởi động và nhập thông số ........................................................................... 45
3.6.2. Các phương pháp điều khiển sử dụng biến tần ACS150 ................................ 55
CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM........................................ 63
4.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN ......................................................................................... 63
4.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ..................................................... 63
4.2.1. Cấu tạo bộ khởi động mềm ............................................................................. 63
4.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động mềm. ................................................ 68
4.3. ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM TRONG THỰC TẾ ...................... 69

4.4. MỘT SỐ LOẠI KHỞI ĐỘNG MỀM TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY ......... 70
4.5. ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM SIEMENS – 3RW44 .................... 76
4.5.1. Sơ đồ kết nối mạch nguồn và mạch điều khiển............................................... 76
4.5.2. Hiển thị và cài đặt thông số ............................................................................. 77
KẾT LUẬN..................................................................................................................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 5


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong các ngành sản xuất công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng
khá phổ biến trong các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất 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 cơng suất lớn ta cần chú ý tới q trình khởi
động động cơ do khi khởi động rotor ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi
động và momen khởi động lớn, nếu khơng có biện pháp khởi động thích hợp có thể
khơng 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 hồn thiện để giảm dịng điện và momen khởi động. Ngày nay, công nghệ

bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày càng được sử dụng
rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều khiển tốt. Sự ra đời của các bộ
biến tần, bộ khởi động mềm đã giải quyết những nhược điểm mà các phương pháp điều
khiển truyền thống mắc phải. Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong q trình khởi
động hồn tồn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của
van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động xuống còn 1.5 đến 3 lần dòng định mức,
phụ thuộc vào chế độ tải vì khi động cơ được đóng điện trực tiếp vào lưới điện dịng khởi
động của động cơ không đồng bộ sẽ rất lớn từ 5 đến 7 lần dòng định mức. Đồng thời điều
chỉnh tăng mômen mở máy một cách hợp lý, cho nên các chi tiết của động cơ chịu độ dồn
nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an tồn cho động cơ. Ngồi việc tránh dịng
đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh
hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới điện.
Với đề tài mà chúng em thực hiện là: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN
VÀ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” nghĩa là: điều
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 6


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

khiển động cơ sao cho có thể làm hạn chế dịng điện khởi động, cũng như tăng mômen
mở máy một cách hợp lý đồng thời điều chỉnh được tốc độ động cơ trong quá trình làm
việc. Chúng em hy vọng sẽ mang đến những kiến thức hữu ích về biến tần và khởi động
mềm, để phục vụ tốt hơn cho nhu cầu học tập và vận hành thực tiễn.

1.2. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài bao gồm các nội dung:

-

Tổng quan về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển.

-

Nghiên cứu, ứng dụng biến tần.

-

Nghiên cứu, ứng dụng bộ khởi động mềm.

-

Thi cơng mơ hình biến tần và bộ khởi động mềm.

1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Với đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” đã giải quyết được vấn đề giảm dòng
khởi cho động cơ khi khởi động và điều khiển điện áp ở đầu cực động cơ nhưng vẫn còn
hạn chế là chưa thể nghiên cứu sâu hơn nữa những tính năng thực của biến tần và bộ khởi
động mềm được bán trên thị trường hiện nay như:
-

Tích hợp hình thức giao tiếp mạng kiểu Modbus.

-

Các ngõ vào ra đa chức năng,…

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đây là đề tài nghiên cứu lĩnh vực ứng dụng, chính vì vậy các phương pháp chủ yếu
sử dụng để thực hiện đề tài này là:
-

Phương pháp tham khảo tài liệu: Bao gồm các tài liệu chun mơn, bài giảng và
giáo trình liên quan đến đề tài, các tài liệu tải từ Internet,…

-

Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng: Tiến hành cài đặt, hiệu chỉnh và vận
hành thực tế, thiết kế và mô phỏng mạch điện,...

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 7


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Động cơ khơng đồng bộ ba pha do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và
bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân,
nhất là loại công suất dưới 100 kW.
Động cơ điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất (nhất là loại rotor

lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ cơng suất nhỏ và
trung bình. Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi
động lớn thường bằng 5-7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này,
người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rotor rãnh
sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mơmen khởi động lên.

Hình 2.1: Động cơ khơng đồng bộ ba pha.

Động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong
một chừng mực nhất định, có thể tạo một mơmen khởi động lớn mà dịng khởi động
khơng lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rotor lồng sóc, do đó giá thành
cao hơn, bảo quản cũng khó hơn.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 8


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.2. CẤU TẠO
Động cơ khơng đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần
quay (rotor).

2.2.1. Phần tĩnh (Stator)
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn:
❖ Vỏ máy:
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.

Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có cơng suất tương đối lớn
(1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội
máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
❖ Lõi sắt:
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn
hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngồi lõi sắt
nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm trịn ép lại. Khi đường kính ngồi lớn hơn thì dùng
những tấm hình rẻ quạt ghép lại. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn.

a)

b)

c)

Hình 2.2: (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn.
Rãnh chứa dây quấn có nhiều hình dạng khác nhau. Trong đó, phổ biến là rãnh hình

thang và rãnh quả lê.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 9


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

Rãnh hở

Rãnh kín

Rãnh nửa hở

Rãnh quả lê

Rãnh hình thang

Hình 2.3: Rãnh ở mặt trong stator.

• Dây quấn:
Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.
Pha U

Pha V

Pha W
b)

a)

Hình 2.4.

(a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator.
(b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh.

2.2.2. Phần quay (rotor)
Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lịng sóc.
• Rotor dây quấn :

Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rotor thường
đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở
một đầu trục và thơng qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngồi. Đặc điểm là có
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 10


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để
cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số cơng suất của máy.
Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với
động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở mơi trường khắc nghiệt và dễ cháy
nổ .
• Rotor lồng sóc :
Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt
rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai
đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta
quen gọi là lồng sóc.

2.2.3. Khe hở khơng khí
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện khơng đồng bộ rất
nhỏ để hạn chế dịng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công
suất của máy cao hơn.

2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được bố trí

ba cuộn dây AX, BY và CZ.
Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ có hệ
thống dịng điện 3 pha (isu, isv, isw), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình
2.5) với tốc độ:
n1 =

60. f
(vịng/phút)
p

(2.1)

Trong đó:
• f1: tần số nguồn điện.
• p: số đơi cực từ của dây quấn.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 11


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

i

iU

iV

iW

t
0

t= /2+2/3

t=/2

t= /2+4/3
A

A

A
Y

Z

C

B

Z Y

Y

C

B

C

X

X

Z

B
X

Hình 2.5: Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ.

Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor một sức điện
động cảm ứng E2. Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên E2 tạo ra dòng điện I2 chạy
trong các thanh dẫn rotor (chiều của i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải như hình 2.5).
Dịng điện I2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 cùng chiều với từ trường stator. Từ
trường trong khe hở khơng khí của máy là tổng từ trường do dòng điện stator và dòng
điện rotor tạo ra và cũng là từ trường quay với tốc độ n1. Từ trường khe hở khơng khí sẽ
tác dụng lên dòng điện I2 lực F (chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái như hình
2.5). Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rotor tạo
ra mômen quay rotor. Và rotor sẽ quay cùng chiều từ trường với tốc độ n2 nhỏ hơn tốc độ
n1. Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt (n):
n = n1- n2

(2.2)

Tỷ số:

s=

n n1 − n2
=
n1
n1

(2.3)

Đây chính là hệ số trượt của động cơ.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 12


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

n1
I2

F
N2

F
stator

rotor

Hình 2.6. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.

Khi s=0 nghĩa là n1=n2, tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế độ
không tải lý tưởng (khơng có bất cứ sức cản nào lên trục). Ở chế độ khơng tải thực, s0
vì có một ít sức cản gió, ma sát do ổ bi …
Khi hệ số trượt bằng s=1, lúc đó rotor đứng yên (n2=0), momen trên trục bằng
momen mở máy.
Hệ số trượt ứng với tải định mức gọi là hệ số trựơt định mức. Tương ứng với hệ số
trượt này gọi tốc độ động cơ gọi là tốc độ định mức.
Tốc độ động cơ không đồng bộ bằng:

n2 = n1 * (1 − s)

(2.4)

Một đặc điểm quan trọng của động cơ không đồng bộ là dây quấn stator không được
nối trực tiếp với lưới điện, sức điện động và dòng điện trong rotor có được là do cảm ứng,
chính vì vậy người ta cũng gọi động cơ này là động cơ cảm ứng.
Tần số dịng điện trong rotor rất nhỏ, nó phụ thuộc vào tốc độ trượt của rotor so với
từ trường:

f2 = p *

n1 −n2 p * n1 * (n1 − n2 )
=
= s * f1
60
60 * n1

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

(2.5)

Trang 13


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

Động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ máy phát điện nếu ta dùng một
động cơ khác quay nó với tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ, trong khi các đầu ra của nó
được nối với lưới địện. Nó cũng có thể làm việc độc lập nếu trên đầu ra của nó được kích
bằng các tụ điện.
Động cơ khơng đồng bộ có thể cấu tạo thành động cơ một pha. Động cơ một pha
không thể tự mở máy được, vì vậy để khởi động động cơ một pha cần có các phần tử
khởi động như tụ điện, điện trở …
Khi nam châm điện quay (tốc độ n1 vòng/ phút ) làm đường sức từ quay cắt qua các
cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây. Sức điện động E
sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây. Vì dịng điện I nằm trong từ trường nên khi từ
trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F. Lực điện từ này làm khung
dây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút.

2.4. CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.4.1. Những yêu cầu đặt ra trong quá trình điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải khơng đổi trong
suốt q trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp, một phần
đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết thời gian momen động
cơ sinh ra đều lớn hơn momen 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 rotor, làm nóng động cơ, thậm chí có thể
làm hỏng lớp cách điện. Dịng 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 khơng tải, dịng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dịng từ hóa, tải hầu
như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số cơng suất (PF: Power Factor) rất thấp, khoảng 0,1.
Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dịng điện từ hóa duy trì hầu như khơng

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 14


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

đổi trong suốt q trình hoạt động từ khơng tải đến đầy tải. Vì vậy, khi tải tăng hệ số
cơng suất cũng lên. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1, dịng điện trong
động cơ khơng hồn tồn 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 thường 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, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, cơng 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 tốn cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết

kiệm được 50% cơng 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 cơng suất nhỏ hơn đơn vị định mức, dịng
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 hịa 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 rotor. 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 cơng suất, cơng 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 tốn đã dẫn
đến việc điều khiển động cơ khơng đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 15


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.4.2. Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ
2.4.2.1. Mở máy trực tiếp động cơ điện rotor lồng sóc
Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện
vào lưới điện là được.
• Ưu điểm:

- Đây là phương pháp đơn giản.

- Nếu nguồn điện tương đối lớn thì có thể dùng phương pháp này để mở máy vì
mở máy nhanh và đơn giản.
• Nhược điểm:

- Dịng điện mở máy tương đối lớn.
- Nếu qn tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá dài thì có thể làm
cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới .
UL

ATM

RLN

Hình 2.7: Sơ đồ đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 16


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.4.2.2. Hạ điện áp mở máy
M

U1
U1 > U2
U2 > U3

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

s

Hình 2.8: Đường đặc tính M = f(s) ở các mức điện áp khác nhau.

Mục đích của phương pháp này là giảm dịng điện mở máy nhưng đồng thời mômen
mở máy cũng giảm xuống. Do đó đối với những tải u cầu có mơmen mở máy lớn thì
phương pháp này khơng dùng được. Tuy vậy, đối với những thiết bị yêu cầu mômen mở
máy nhỏ thì phương pháp này rất thích hợp. Ví dụ: tải quạt gió,bơm,..
2.4.2.3. Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stator:
Sơ đồ nối dây như hình 2.9. Khi mở máy trong mạch điện stator đặt nối tiếp một
điện kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K1 của cơng tắc tơ thì điện
kháng này bị nối ngắn mạch. Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dịng
điện mở máy cần thiết.
Do có điện áp gáng trên điện kháng nên điện áp mở máy trên đầu cực động cơ U’K
sẽ nhỏ hơn điện áp lưới. Gọi dịng điện mở máy và mơmen khi mở máy trực tiếp là IK và
MK. Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điện vẫn giữ khơng đổi thì
sau khi thêm điện kháng vào:

Dòng điện mở máy còn lại là : I’K = k.IK
Điện áp đầu cực động cơ điện là : U’K = k.UK

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 17


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

Mômen mở máy là: M’K = k2.MK
Trong đó: k < 1.
UL
UL

ATM

K1

Cuộ n
kháng
’

Uk

’

Ik

RLN

Hình 2.9: Hạ điện áp mở máy bằng cuộn kháng

• Ưu điểm:

- Thiết bị khởi động đơn giản.
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu.
- Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp.
• Nhược điểm:

- Khi giảm dịng điện khởi động xuống thì mơmen mở máy giảm đi bình
phương lần.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 18


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.4.2.4. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy
UL

ATM
I1
K2

’

Ik
RLN

K1

’

Uk

Hình 2.10: Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu.

Sơ đồ nối dây như hình 2.10. Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động
cơ điện. Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cách đóng tiếp điểm K2
vào và mở K1 ra).
Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là kT (kT < 1) thì:
- Điện áp đầu cực động cơ : U’k = kT.U1
- Dòng điện mở máy

: I’K = kT.IK

- Mômen mở máy

: M’K = k T2 .MK

Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I1 (dòng điện bên sơ cấp máy biến áp tự ngẫu)
thì dịng điện I1 = kT.I’K = k T2 .IK
Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn k T2 lần.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 19


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

• Ưu điểm:

- Dịng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu.
- Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn
kháng thì ta có mơmen máy lớn hơn.

- Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp, cao áp.
• Nhược điểm:

- Mômen mở máy giảm.
- Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu.
2.4.2.5. Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - :
Phương pháp mở máy Y -  thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu
tam giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có
U1/ 3 . Sau khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu . Sơ đồ cách đấu dây như hình 2.11.
Khi mở máy thì đóng ATM, tiếp điểm KY đóng, cịn tiếp điểm K mở, như vậy máy đấu
Y. Khi máy đã chạy rồi thì đóng tiếp điểm K, máy đấu 
Theo phương pháp Y -  thì khi dây quấn đấu Y thì ta có:
- Điện áp pha trên dây quấn là

: Ukf =

1
U1
3

- Dòng điện pha khi mở máy là

: I 'kf =

1
I kf
3

- Mômen khi mở máy là

: M 'k =

1
Mk
3

Khi mở máy trực tiếp động cơ đấu  khi đó:
- Điện áp pha trên dây quấn là

: Ukf = U1

- Dòng điện pha khi mở máy là

: I k = 3.I kf

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 20


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

Như vậy khi mở máy đấu Y thì:
: I1 = I 'kf =

- Dịng điện pha khi mở máy là
- Mơmen khi mở máy là: M 'k =

1
1
I kf = I k
3
3

1
Mk
3
UL

ATM

RLN
K

KY

Hình 2.11: Mở máy bằng cách đổi nối Y - .

Trường hợp này tương tự như dùng một máy biến áp tự ngẫu mở máy mà tỷ số biến
đổi điện áp kT =

1
.
3

• Ưu điểm:

- Phương pháp này đơn giản, được áp dụng rộng rãi với những động cơ điện khi
làm việc đấu tam giác.

- Phương pháp này dùng cho động cơ hạ áp.
• Nhược điểm:

- Khơng dùng cho động cơ Y/ = 220/380.
- Khơng điều chỉnh được dịng điện khởi động theo yêu cầu.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 21


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.4.2.6. Mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào rotor
UL
M

4

2

3

1

ATM
RLN

K1

1
R

0,
8

0,
6

0,
4

0,
2

0

s

K2
R

Hình 2.12: Sơ đồ nối dây và đặc tính mơmen khi thêm
điện trở vào rotor để mở máy.

K3
R
K

Phương pháp này chỉ thích hợp với những động cơ điện rotor dây quấn vì đặc trưng
của loại động cơ điện này là có thể thêm điện trở vào cuộn dây rotor. Khi điện trở rotor
thay đổi thì ta có đường đặc tính M = f(s) như hình 2.12. Khi điều chỉnh điện trở mạch
điện rotor thích đáng thì sẽ được trạng thái mở máy lý tưởng (đường 4). Sau khi máy đã
quay để duy trì một mơmen điện từ nhất định trong q trình mở máy ta cắt dần điện trở
thêm vào rotor làm cho quá trình tăng tốc của động cơ điện thay đổi từ đường 4 sang
đường 1 và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ theo đường 1 tăng tốc đến điểm làm việc.
• Ưu điểm:

- Dùng cho động cơ rotor dây quấn có thể đạt được mơmen mở máy lớn.
- Dòng điện mở máy nhỏ nên những nơi nào mở máy khó khăn thì dùng động
cơ điện loại này.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 22


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

Nhược điểm:

- Rotor dây quấn là rotor chế tạo phức tạp hơn rotor lồng sóc nên đắt hơn. Bảo
quản khó hơn, hiệu suất thấp của máy thấp hơn.

- Phương pháp này chỉ áp dụng được cho động cơ không đồng bộ rotor dây
quấn.

- Bảo quản khó hơn, hiệu suất thấp hơn.
- Tổn thất công suất trên điện trở phụ lắp vào rotor.
2.4.2.7. Mở máy dùng bộ khởi động mềm (bộ điều áp xoay chiều)
Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 2.13. Ứng với các góc mở 
khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ khác nhau ứng với
từng góc .
Thyristor
RLN

UL

ĐC

ATM

Hình 2.13: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều.

• Ưu điểm:

- Mở máy động cơ dễ dàng bằng cách điều khiển góc mở  lớn để hạn chế dịng
điện mở máy.

- Áp dụng cho tất cả các loại động cơ ở các cấp điện áp khác nhau.
• Nhược điểm:

- Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 23


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.4.2.8. Mở máy dùng biến tần
• Ưu điểm:

- Phương pháp mở máy dùng biến tần có thể giảm dịng khởi động mà mơmen
khởi động lớn.

- Điện áp ra hình sin, hiệu suất cao.
• Nhược điểm:

- Sử dụng nhiều thyristor khiến mạch điều khiển phức tạp.
- Giá thành cao.
2.4.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ khơng 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 Rf.
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stator.
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ.
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa.
- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng.
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1.
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 f1 và phương pháp thay đổi điện áp stator.

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 24


Đồ án học phần 1

GVHD: Trần Văn Hải

2.4.3.1. Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1
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:
0 =

2f1
P

(2.6)

Ta lại có, tốc độ của rotor động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:
 = 0 (1 − s )

(2.7)

Do đó, bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều
chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số đơi
cực từ khơng thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1. Bằng cách thay
đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ 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 khơng giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hịa và
động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, khơng phát huy đuợc hết cơng 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
thơng của động cơ khơng đổi. Từ thơng này có thế là từ thông stato Φ1, từ thông của rotor
Φ2, hoặc từ thơng tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì momen 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 khơng
đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:

- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const
- Luật dịng điện khơng tải khơng đổi: I0 = const
- Luật điều khiển dịng stator theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

2.4.3.2. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stator
Sức điện động của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều
thức:

SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường

Trang 25