Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Đ 3.4. các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Không đồng bộ bằng thay đổi thông số:
3.4.1. Vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK:
Động cơ ĐK, đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm nổi
bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu t ít, giá
thành hạ, trọng lợng, kích thớc nhỏ hơn khi dùng công suất định
mức so với động cơ một chiều.
Sử dụng trực tiếp lới điện xoay chiều 3 pha
Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình
quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi
động xấu, (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ).
Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán
dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới đợc khai
thác các u điểm của chúng. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh
có hiệu quả so với hệ Tiristor - Động cơ điện một chiều.
Qua phơng trình đặc tính cơ của động cơ ĐK:

th
th
th
thth
as2
s
s
s
s
)asI(M2
M
++
+

= (3-15)
2
nm
2
1
'
2
th
XR
R
s
+
=

(3-16)
Trang 104
Qua biểu thức (3-13), (3-14), (3-15), (3-16) ta thấy rằng khi
thay đổi các thông số điện trở, điện kháng, điện áp, tần số, số đôi cực
thì sẽ thay đổi đợc s
th
, M
th
và sẽ điều chỉnh đợc tốc độ của động cơ
ĐK.
3.4.2. Điều chỉnh tộc độ động cơ ĐK bằng cách
thay đổi điện trở phụ mạch rôto (R
2f
):
Qua các biểu thức (3-14), (3-15), khi thay đổi điện trở phụ trong
mạch rôto động cơ ĐK sẽ làm cho s

th
, có tốc độ khác nhau và có các tốc độ làm
việc xác lập tơng ứng.
Qua hình 3-6, ta có: M
th
= const
~


0


TN
TN
S
th.TN

1

ĐK
R
2f1

2

S
th.1
R
2f2
R

< s
th2
< < s
th.ic
<

TN
<
1
<
2
< <
ic
<

TN
>
1
>
2
> >
ic
>
Nh vậy, khi cho R
2f
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 R
2f
= R

* Ưu: Phơng pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều
chỉnh tốc độ động cơ ĐK nh trên có u 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 (M
c
= const).
* Nhợc điểm: Tuy nhiên, phơng pháp này cũng có nhợc
điểm là 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 rôto,
dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công suất điều
chỉnh lớn, tổn hao năng lợng trong quá trình điều chỉnh lớn.
Trang 106
Mặc dù vậy, phơng pháp này thờng đợc áp dụng cho điều
chỉnh tốc độ các động cơ ĐK truyền động cho các máy nâng - vận
chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao. Muốn nâng cao các
chỉ tiêu chất lợng thì dùng phơng pháp xung điện trở .
3.4.3. Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi điện áp stato (u
s
):
Mômen động cơ ĐK tỉ lệ với bình phơng điện áp stato, nên có
thể điều chỉnh mômen và tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi điện
áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều
(ĐAXC) nh hình 3-7:





=
constss
u.M
u
u
MM
gh.thth.u
2*
bth
2
1
b
gh.thu.th
(3-17)

S
th.TN

0

S
th.gh
TN, u
đm
, R
2f
= 0

đ/tGH, u
đm
, R
2f
0
ĐAXC

2

f
1
, u
b
u
b2
< u
b1
ĐK
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Trang 107
Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát
nóng của động cơ, ngời ta mắc thêm điện trở R
2f
(hình 3-7). Khi đó,
nếu điện áp đặt vào stato là định mức (u
b
= u
1
) thì ta đợc đặc tính
mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giới hạn.

cho trớc nhờ quan hệ:

gh
u
*
u
2*
b
*
u
M
M
M ;uM ==
(3-19)
Đặc tính điều chỉnh trong trờng hợp này nh hình 3-7b.
Phơng pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động
mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ nh: máy bơm, quạt gió, Có
thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn
làm bộ ĐAXC cho động cơ ĐK.
3.4.4. Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi số đôi cực (p):
Theo quan hệ:

p
)s1(pf2
)s1(
1
0

== (3-20)
Trong đó: f

Thực tế, các động cơ ĐK đa tốc độ thờng gặp là đổi nối theo
hai cách: hình sao

sao kép (Y

) và tam giác sao kép (
). Sơ đồ đổi nối đớc giới thiệu trên hình 3-9:

+ + + +
* *
N/2 S N S N/2
* *
~
a) p = 2;
0
H
ình 3-8: Thay đổi số đôi cực bằng đổi nối tổ dây quấn
* *
~
b) p = 1; 2
0
* *
~
c) p = 1; 2

ình 3-9: Đổi nối dây quấn stato động cơ ĐK
b) Tam giác
x
1
, r
1
*
x
1
, r
1
*
x
1
, r
1
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Trang 109
Khi nối hoặc Y, hai đoạn dây quấn mỗi pha đợc đấu nối tiếp
thuận cực giống nh trên hình 3-9a, nên ta giả thiết khi đó p = 2 và
tơng ứng tốc độ đồng bộ là
o
. Khi đổi nối thành , các đoạn dây
sẽ nối song song ngợc cực giống nh hình 3-9c, nên p = 1, tốc độ
đồng bộ tăng gấp đôi (
o
= 2
o
).
Để dựng các đặc tính điều chỉnh, ta cần xác định cá trị số M

Điện áp trên dây quấn mỗi pha là
1f
U.3U =

. Do đó:
2
nm
2
1
'
2
2'
21
2
1
'
2
.th
xr
r
)XX(R
R
s
+
=
++
=




2
1
X ;r
2
1
R ;x
2
1
X ;r
2
1
R ====
(3-24)
Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là: U
f
= U
1
. Vì vậy:
2
nm
2
1
'
2
2'
2 1
2
1
'
2

++
=
+
=
(3-26)
So sánh (3-62) với (3-59) ta thấy:

3
2
M
M
th.
th
=

(3-27)
Nh vậy, khi đổi nối , tốc độ không tải lý tởng tăng
lên 2 lần (

o
=
o

), độ trợt tới hạn không đổi (giá trị tơng đối),
còn mômen tới hạn giảm mất 1/3 lần. Đặc tính điều chỉnh có dạng nh
trên hình 3-10a.


1
thY
2
nm
2
1
'
2
th.
xrr4
U3
M
xr
r
s
(3-28)
Trang 111
H
ình 3-10: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ khi đổi nối
dây quấn stato

và Y

o


o


S
th
Y

0 M
c.cp
M
thY
M
th

M
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
So sánh (3-28) với các biểu thức tơng ứng của sơ đồ sao kép là
(3-25) và (3-26) ta đợc:
s
thY
= s
th
;
ththY
M
2
1
M = (3-29)
Nh vậy, khi đổi nối , tốc độ không tải lý tởng và
mômen tới hạn tăng gấp đôi, còn hệ số trợt tới hạn vẫn giữ nguyên
giá trị tơng đối của nó (hình 3-10b).
Y


P
c.cp
, vì hệ số công suất và hiệu
suất khi nối cao hơn khi nối . Đó là do khi nối , điện áp đặt
lên từng đoạn dây quấn lớn hơn khi nối , nên dòng từ hóa tăng một
cách vô ích:
Từ (3-32) ta suy ra quan hệ của mômen tải cho phép:

2
1
/P
/P
M
M
o
o
ocp.c
o cp.c
c.cp
cp.c
=







(3-33)

Nếu các đoạn dây nối hình Y, thì:

YYm11cpY.c
cosIU3P


=
(3-35)
So sánh với trờng hợp nối [xem (3-31)] ta có:

2
cos3
cos2
P
P
YY
Yc.cp
cp.c



= (3-36)
Và:
1
/P
/P
M
M
oYcpY.c
o cp.c

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 tởng).

Trang 113
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao
và tổn thất trợt khi điều chỉnh thực tế không đáng kể.
+ Nhợc điểm lớn của phơng pháp này là có độ tinh kém, giải
điều chỉnh không rộng và kích thớc động cơ lớn.
3.4.5. Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi tần số (f
1
):
3.4.5.1. Vấn đề thay đổi tấn số của điện áp stato:
Về nguyên lý, khi thay đổi tần số f
1
thì
o
= 2pf
1
/p sẽ thay đổi
và sẽ điều chỉnh đợc tốc độ động cơ ĐK. Nhng khi thay đổi f
1



f
1đm
thì có thể ảnh hởng đến chế độ làm việc của động cơ.
Giả sử mạch stato:

để điều chỉnh tốc độ <
đm
mà giữ
U
1
E
1
cf
1
= const thì theo (3-40), từ thông sẽ tăng lên, mạch từ
động cơ sẽ bị bảo hòa, điện kháng mạch từ giảm xuống và dòng từ hóa
sẽ tăng lên làm cho động cơ quá tải về từ, làm phát nóng động cơ,
giảm tuổi thọ của động cơ, thậm chí nếu nóng quá nhiệt độ cho phép
của động cơ thì động cơ có thể bị cháy.
+ Còn khi tăng f
1
> f
1đm
nếu giữ U
1
E
1
cf
1
= const và phụ
tải M
c
= const, mà khi làm việc, mômen M KI
2
cos = M
Nghĩa là:

const
M
M
th
== (3-41)
Trang 115
~ u
1
, f
1đm
Vì vậ
y
, khi tha
y

đổi tần số f
1
để điều
chỉnh tốc độ thì n
g

Hình 3-11: hệ BT - ĐK


đmU
1đm
, f
1đm

0 M
c
M
cđm
M
th
M
thđm
M

o


ođm

M
c
()
Đối với

chỉnh tốc độ.
u
1
, f
1

H
ình 3-12: Xác định khả năng
quá tải về mômen
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato (R
1
= 0) thì từ (3-41):

2
1
2
1
nm
1
2
1
nmo
2
1
th
f
U
.K
L.

f
f
.AMM



















=
(3-43)
Trong đó: q = -1,0,1,2
Theo (3-41), (3-42), (3-43) ta có:

q
m.1
1








=
2
q
1
m.1
1
m.1
1
f
f
U
U
; với q = -1, 0, 1, 2; (3-45)
Hay ở dạng tơng đối:







+
=Trên hình 3-13a, khi phụ tải M
c
I/ (q = -1) thì điều chỉnh tần
số và điện áp stato theo qui luật:

const
f
U
2/1
1
1
= (3-47)
Trên hình 3-13b, khi phụ tải M
c
= const (q = 0) thì điều chỉnh
tần số và điện áp stato theo qui luật:
Trang 117
H
ình 3-13: Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số và điện áp theo
qui luật
M
= const với các phụ tải khác nhau:


1


đm

b)

đm


2

f
1đm
< f
11
0 M
th1
M
thđm
M
th2
M

o2


ođm

f
1đm
f
12

thđm
M
th1
M

o2


ođm

f
1đm
f
12
< f
1đm


1


o1

M
c
()
M
th
()
M

f
12
< f
1đm


2


đm

M
th
()
d)
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
const
f
U
1
1
= (3-48)
Trên hình 3-13c, khi phụ tải M
c
= const (q = 1) thì điều chỉnh
tần số và điện áp stato theo qui luật:

const
f
U

Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tự động vòng kín nh trên
hình 3-14. Các tín hiệu điều khiển ở đầu vào thờng là điện áp: U
đ
-
tín hiệu đặt, tỷ lệ với giá trị đặt của thông số đợc điều chỉnh: tốc độ

đ
(U
đ

đ
); U
ph
- tín hiệu phản hồi, tỷ lệ với giá trị thực của thông số
đợc điều chỉnh (U
ph
); U = U
đk
- tín hiệu sai lệch, phản ánh
mức độ sai lệch giữa giá trị thực của thông số ra với giá trị mong
muốn đã đặt trớc
đ
.
Trang 118
U
đk
chính là tín hiệu dùng để điều khiển phần tử điều chỉnh ĐCh
sao cho thông số của nó tự động thay đổi, và tác động vào động cơ để
đủ làm cho giá trị tiến đến
đ

trị cho phép:

S=
M
.
đm
0min

>S
cp
(3-51)
Để S S
cp
thì cần tìm biện pháp tăng tốc độ đến =
min
. Điểm
làm việc [
min
, M
đm
] đã nằm trên đặc tính khác của hệ có
0
=
01
và
E
b1
= k
01
> E

ình 3-14: Hệ điều chỉnh tự động vòng kín
Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động Ths. Khơng Công Minh Giáo Trình: Truyền động điện Tự động
S=
M
b.
S
đm
m0min
cp

(3-53)
Giao điểm của đặc tính cơ mong muốn với các đặc tính hệ hở
cho biết các giá trị cần thiết của E
b
khi thay đổi mômen tải. Đặc tính
này đợc dựng ở gốc dới bên trái của hình 3-14.
3.5.2. Điều chỉnh tự động tốc độ theo dòng điện tải:
Qua hình 3-15, để nâng độ cứng lên

()k(k ; .k=E
m
2
m
'
d0mb0

= ; (3-55)
Trang 120
Nguyên lý điều chỉnh (3-54) có thể đợc thực hiện bằng mạch
phản hồi dơng dòng điện phần ứng nh trên hình 3-16a.

Theo sơ đồ 3-16, ta có:
E
b
= k
b
(U
đ
+ R
d
I) (2-56)



b
.U
đ
; K

d
= k
b
.R
d
(2-58)
Nếu chọn: k
b
.R
d
= (R + R
d
) thì

m
=

, ta đợc đặc tính cơ cứng
tuyệt đối. Nếu k
b
.R
d
> (R + R
d
) thì đặc tính cơ mong muốn sẽ có độ

Đ
R
d

m
< 0
U
+
i
a)
I, M

b)


01

0min
H
ình 3-16: Sơ đồ và đặc tính phản hồi dơng dòng điện tải

m

min


min
E
b1
E

=

1
(k
(E -
đm
b


)( )
)
2
11
Trong đó:
tn
= (k
đm
)
2
/R

là độ cứng đặc tính cơ tự nhiên.
Thay (3-59) vào (3-54) và đặt:

b=
1
-
1
)(
1


a
U (3-61)
Nguyên lý điều chỉnh (3-61) có thể đợc thực hiện bằng mạch
phản hồi âm điện áp phần ứng nh trên hình 3-17a:

Bỏ qua dòng điện trong các điện trở r
1
, r
2
và đặt k
a
= r
2
/(r
2
+r
1
):
E
b
= k
b
(U

Trang 122
Nếu mạch có k
b
k
a
>> 1 thì (3-63) sẽ có dạng:






=
=-
U
k.k
-
R
(k
U
đ
đm

đm
đ
a
a
tn
M
k
Dựa vào phơng trình đặc tính điện cơ Bộ biến đổi - Động cơ
một chiều ta rút ra đợc dòng điện phần ứng và thay vào (3-54) ta có:

E
1
1-k
(E -
k
R
EE-(
E=E -k.
bb0
đm
b
m
b0
m
đm
bb0
''
t
'
=
=-
d
d
R
k



m
=
tn

m
I, M
b)
H
ình 3-17: Sơ đồ và đặc tính phản hồi âm điện áp phần ứng
U

0


0
k
b
k
t
=
U
đk
U
đ
BĐ
Đ
U



= k
t
.


.






=
-
=
kU k
(1+ k k / k k
k(1+kk/k
bđ đm
bđmđm
đm b đm
RM
R
t
m
t
./
).
() )

ngắt M
ng
và tốc độ ngắtng
. Thông thờng I
*
ng
(1,5ữ2).
Vậy, đặc tính cơ của hệ gồm hai đoạn: đoạn làm việc từ điểm
không tải lý tởng đến điểm ngắt (đoạn AB) và đoạn ngắt từ điểm
ngắt đến điểm dừng (đoạn BC) (xem hình 3-19a).

Trang 124
Vì đặc tính này rất đặc trng cho công nghệ của máy xúc nên
ngời ta gọi nó là đặc tính máy xúc

. Muốn tạo ra đoạn đặc tính dốc có độ cứng mong muốn là
ng
bắt

ng
0
0
11

.(
.( )
'
.
(3-67)
Để thực hiện quy luật điều chỉnh này, ta dùng một khâu phản
hồi âm dòng điện có ngắt tác động trên mức ngỡng I
ng
, sơ đồ nguyên
lý nh hình 3-19b. Điện áp so sánh: U
s
= I
ng
.R
đo
, vậy:
E
b
= k
b
[U
đặt
- I

.R

= k
b
.k
ng.d
;
Đoạn BC:
= C
đ
k
b
U
đặt
- C
đ
(k
b
k
ng.d
+ R)(I - I
ng
); (3-69)
Trang 125

~ BĐ
Đ
A

0

đm

Câu hỏi ôn tập
1. Có những chỉ tiêu chất lợng nào dùng để đánh giá các
phơng pháp điều khiển động cơ ? Nêu định nghĩa và trình bày ý
nghĩa của từng chỉ tiêu.
2. Phân tích ý nghĩa của việc điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh
dòng điện (hoặc mômen), nêu yêu cầu thực tế của việc điều chỉnh
từng thông số ? Những chỉ tiêu cần đạt đợc của việc điều chỉnh mỗi
thông số là gì ?
3. Từ biểu thức nào ta rút ra nhận xét chung về các phơng pháp
điều khiển động cơ điện một chiều và động cơ điện không đồng bộ ?
Mỗi loại động cơ có mấy phơng pháp điều khiển ? Những phơng
pháp nào đợc xem là có hiệu quả ?
4. Những phơng pháp điều khiển nào của động cơ điện một
chiều có thể dùng để điều chỉnh tốc độ ? Những phơng pháp nào
dùng để điều chỉnh mômen và dòng điện ?
5. Hãy đánh giá các chỉ tiêu chất lợng của phơng pháp điều
chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
6. Nêu ứng dụng của phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng.
7. Nêu u, nhợc điểm của phơng pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ điện một chiều bằng cách thay đổi từ thông kích thích.
8. Trình bày cách dựng họ đặc tính khởi động của động cơ
không đồng bộ rôto dây quấn khi dùng các cấp điện trở phụ nối vào
mạch rôto và cách xác định các cấp điện trở đó.
9. Trình bày nguyên lý điều chỉnh dòng điện và mômen (khởi
động) của động cơ không đồng bộ lồng sóc bằng phơng pháp thay
đổi điện áp stato và phơng pháp dùng điện trở phụ stato.
10. Phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách thay đổi số đôi cực có những ứng dụng nào ?


Bộ biến đổi
- Động cơ một chiều có phản hồi âm dòng điện có ngắt và cách tạo ra
đặc tính máy xúc.
Trang 127