Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trở
thành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế,
nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ.
Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay
đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ Tự động hóa
(TĐH) đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân
công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người
tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy Tự Động
Hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công
nghiệp.
Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm
một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải công
suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều chỉnh
tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều.
Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt,
Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ
không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn.
Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha
điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const. Từ cơ sở lý
thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và
qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các
phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều
khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh


Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như
trong sinh hoạt. Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện chiều, vì
chúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắc
nghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã
mở ra một triển vọng lớn cho các loại động cơ không đồng bộ.
Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm sau:
+ Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ
làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều.
+ Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm.
+ Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như
khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 4
1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.
1.2.1 Cấu Tạo:
Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: dây quấn sơ
cấp nhận điện áp lưới với tần số f
1
, dây quấn thứ cấp được khép kín. Dây quấn thứ
cấp thứ cấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f
2
và nó là
hàm của tốc độ góc rôto
ω
.
Động cơ không đồng bộ được chia làm hai loại: động cơ KĐB dây quấn và
động cơ KĐB rôto lồng sóc.


Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều 3 pha
Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu
phần cảm quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường thì từ trường sẽ không quay
qua các dây dẫn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng
không còn. Do mômen cản phần cảm sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn
phần cảm lại bị từ trường quay qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện lại và do đó
mômen lẫn phần cảm tiếp tục quay theo từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn tốc
độ từ trường.
Tốc độ từ trường quay là
ω
0
(rad/s) hay n
0
(vòng/phút) thì tốc độ quay của
phần cảm
ω
luôn nhỏ hơn
ω
<
ω
0,
n<n
0

0
(vòng /phút) là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt
được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này được gọi là tốc độ không tải lý tưởng
hay tốc độ đồng bộ.
Dòng điện cảm ứng trong phần dây phần ứng ở rôto cũng là dòng xoay chiều
với tần số xác định bởi tốc độ tương đối với từ trường quay.
0
21
()
.
60
pnn
fsf
−
== (1-4)

1.2.3 Vận hành động cơ không đồng bộ:
a) Mở máy động cơ KĐB.
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường
phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của
lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu
cầu mômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả
hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp.
Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện
có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy. Nói chung khi
mở máy cần chú ý các yêu cầu sau:
+ Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặt tính cơ của tải.
+ Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
+ Phương pháp mở máy và các thiết bị cần dùng phải đơn giản, rẻ tiền chắc
chắn.

,,
RRR
µ
điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về
stato (
Ω
).

'
12
,,
XXX
µ
điện kháng tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi
về stato (
Ω
).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng.

[ ]
2'
12
'
22
2
01
3
,.
()

), phương trình cho những giá trị M.
Đường biểu diễn M=f(s) trên trục tọa độ s0M như hình vẽ, đó là đặc tính cơ của
động cơ không đồng bộ ba pha.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 8
Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường dặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

0
dM
ds
=

Giải phương trình ta có:
'
2
22

) (chế độ động cơ) nên giá trị s
th
và M
th

của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xaoy chiều KĐB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn ẠK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên
đoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm
việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn này
động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ
ω
=0 (s=1) và mômen
mở máy:
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 9
[ ]
2'
12
'22
012
3
,.
()
nm
UR
MNm
RRXω

thay đổi (vì = 2
XfL
π
=
) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn s
th
và mômen tới
hạn M
th.
Quan hệ tới hạn theo tần số s
th
=f(f
1
) và mômen tới hạn theo tần số M
th
=f(f
1
) là
phức tạp nhưng vì
0
ω
và X
1
phụ thuộc tỷ lệ với tần số f
1
nên có thể từ các biểu thức
của s
th
và M
th

nhanh hơn.
Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức f
đm
thì tổng trở của cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động
cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng
thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:
1
1
ons
u
ct
f
=
(1-11)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1
< f
đm
. Ở vùng f
1
>f
đm
thì không thể
tăng điện áp nguồn mà giữ U
1
=U
đm

hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi
có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được
sử dụng rất rộng rải trong các nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục
đến hàng chục ngàn KW. Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ thường được
dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công
cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp được dùng làm máy bơm
hay máy gia công nông sản. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ
ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ
trong tủ lạnh, trong máy điều hòa
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không đồng bộ là so với máy điện
một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều còn gặp nhiều khó khăn, bởi các
thông số của máy điện xoay chiều là thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản
chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ xoay chiều đòi
hỏi phải có một hệ thống tính toán cực kỳ nhanh và chính xác trong quan hệ qui đổi
các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến nay phần lớn các động
cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp
điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
1.4 KHẢ NĂNG DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU THAY CHO ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU:
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào
để có thể dễ dàng điều khiển tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ điện một
chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một
máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển
vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và mômen hoàn toàn độc
lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng)
hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 12

SVTH:Tề Minh Tri
Trang 13CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

2.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ.
Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn. Điều này
làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm
chí có thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng 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 không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải
hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải
tăng lên dòng điện bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong
suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tăng tải hệ số công
suất cũng tăng. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện
trong động cơ không hoàn toàn sin. Điêu 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 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 phương pháp
hãm cơ được dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy
nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như
quạt, máy bơm, ở những lọa tải này mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, công
suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ này phụ thuộc
váo tải có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

xuống dần đến tốc độ quay giảm xuống.
Điện trở tổng của mạch rôto sẽ là: R
∑
= R
r
+R
fTrong đó: R
r
là điện trở dây quấn một pha của rôto
R
f
là điện trở phụ một pha nối tiếp với rôto
Đặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi điện trở mạch rôto như sau:
'
th
S =
22
1
''
2
nm
f
XR
RR
+
+
(2-2).
M
th
= M
thtn
= Const (2-3).
a =
2
1
R
R
.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 16

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là M

=0 tới R
f
=R
1
ta
có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong miền nằm giữa đặc tính cơ tự nhiên và đặc
tính cơ của biến trở với R
f
=R
1
.
Nhận xét:
+ Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm.
Tuy vậy đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh khá liên tục
trong phạm vi khá rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cỡ trung
bình.
+ Thao tác đơn giản.
+ Giá thành ban đầu cũng như chi phí bảo trì thấp.
+ Đặc tính cơ dốc khi tốc độ thấp nên nên phương pháp này sẽ cho tốc độ kém
ổn định.
+ Phương pháp không kinh tế vì tổn thất năng lượng lớn.
Ứng dụng đối với các hệ thống làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại và không
yêu cầu về ổn định tốc độ cao như: máy nâng, cầu trục, thang máy …
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực.
* Sơ đồ nguyên lý.
Phương pháp thay đổi số đôi cực thường được dùng nhiều nhất cho động cơ
hai cấp tốc độ, có hai cách đấu như sau:
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 17

= 2r
1
; X
1
= 2X
1

Và tương ứng R
2
= 2r
2
; X
2
= 2X
2
; X
nm
= 2X
nm
(2-4).
Trong đó r
1
, r
2
, X
1
, X
2
, là các điện trở và các điện kháng mỗi đoạn dây stato và rôto.
Điện áp đặt lên dây quấn mỗi pha là: U

r
+
(2-5).
M
th
∆
=
2
1
22
011nm
U33
2RRR
∆∆∆

ω±+

=
2
1
22
012nm
9U
4rrX

ω±+

(2-6).
Khi nối YY thì: R
1YY

1

Vì vậy: S
thYY
=
)(
'
2
2
1
2
1
'
2
YYYYYY
YY
XXR
R
++
=
22
1
'
2
nm
Xr
r
+
= S
th

∆th
thYY
M
M
=
3
2
(2-10)

Như vậy khi nối
∆
- YY thì tốc độ lý tưởng không tải tăng hai lần, s
th
giữ
nguyên, mômen tới hạn M
th
giảm
1
3
.
Đặc tính cơ của nó có dạng:
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 19

thY
=
2
1
22
011nm
3U
4rrX

ω±+

(2-12).
S
thY
= S
thYY
; M
thY
=
2
1
M
thYY
(2-13).
Dạng đặc tính cơ của nó có dạng:
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 21

Nếu bỏ qua tổng trở của nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch rôto.
Khi điện áp của bộ biến đổi U
2
thì ta được họ đặc tính điều chỉnh như hình 2-5.
Khi đó: Độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị:
'
2
22
1
th
n
r
s
rx
=
+
(2-14).
Mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp:

2
2
tut


Hình 2-5: Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điện trở
phụ trong mạch rôto.

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ.
Khi dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trở
phụ vào mạch rôto như hình (2-4) thì khi đó:
Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U
2
=U
1
) thì ta được đặc tính mềm hơn
đặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh).
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 22

Nếu giá trị điện áp đặt vào stator khác với giá trị định mức thì mômen tới hạn
lúc điều chỉnh điện áp M
tu
sẽ thay đổi theo tỷ lệ bình phương điện áp, còn độ trượt
tới hạn thì không đổi. nghĩa là:

2
2
tut
MMU
=

S

+++++

(2-16).

'
2
22
1
()()
f
th
bbn
rr
s
rrxx
+
=
+++
(2-17).
Ta được phương trình đặc tính cơ:
2(1)
2
t
t
t
M
M
s s
ss
ε

Sơ đồ nguyên lý:
Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dùng thyristor

Bộ điều chỉnh thyristor này tương đối đơn giản gồm 6 thyristor. Khi ở trạng
thái xác lập, các thyristor mở ở những góc kích như nhau và không đổi. Khi đó
T
1
,T
3
,T
5
, dẫn ở nữa chu kỳ dương, T
2
,T
4
,T
6
dẫn ở nữa chu kỳ âm của lưới điện.
Điện áp đặt vào stato của động cơ U
2
(điện áp ra của bộ biến đổi) là những
phần đường hình sin trên đồ thị sau:

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 24


Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh ta bỏ qua điện trở của thyristor. Khi thyristor đang
dẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với những góc
α
khác nhau được vẽ trên hình
(2-9). Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điều
chỉnh có thể khác với độ trượt s
t
.

Hình 2-9: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
dùng bộ điều khiển thyristor
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
SVTH:Tề Minh Tri
Trang 25

* Nhận xét và ứng dụng:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng thyristor vì thực
hiện dễ dàng và tự động hóa. Xét về chỉ tiêu năng lượng tuy tổn thất trong bộ biến
đổi không đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất
phụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thường
dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt thông
gió, máy li tâm …
2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số:
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số
đôi cực theo công thức:

1
0

1
, từ thông của rôto Φ
2
, hoặc từ thông của tổng mạch từ Φ
µ
. Vì