ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Đề Tài:
Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển mở máy
động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn
GVHD: LÊ THỊ MINH TÂM
SVTH: VŨ THÀNH TÂM
LÊ SỸ THÀNH
TRẦN VĂN TẠ
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của khoa học- công nghệ đã làm cho hệ thống điều khiển trong
công nghiệp và đời sống phát triển. Do đó đã nâng cao năng suất lao động và
hạn chế sức lao động của con người. Cùng với nó hệ thống tự động hoá quá
trình sản xuất ngày càng được sử dụng, ứng dụng rất rộng rãi trong các nhà máy
xí nghiệp.
Trong các loại máy điện, máy điện không đồng bộ do kết cấu đơn giản, làm
việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện , giá thành hạ nên được sử dụng
rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân. Trong công nghiệp thường dùng máy điện
không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các
máy công cụ ở nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong hầm lò dùng làm máy tời hay
quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản
Thiết kế chế tạo hệ thống mở máy và hãm động cơ điện không đồng bộ
xoay chiều ba pha rôto dây quấn là một đề tài quan trọng và cần thiết đối với
sinh viên chuyên ngành tự động hóa.Vì qua đồ án sinh viên được tìm hiểu kĩ hơn
về quá trình tính toán, các thông số, chỉ tiêu của loại động cơ vô cùng thông
dụng này. Và em là một trong số những sinh viên nhận đề tài:“thiết kế chế tạo
hệ thống điều khiển mở máy động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn “
Nội dung đồ án nay gồm 4 chương:
Chương 1:Khái quát về đông cơ không đồng bộ ba pha
Chương 2:Các phương pháp điều khiển quá trình mớ máy động cơ không
đồng ba rôto dây quấn
Chương 3:phương pháp mở máy và hãm động cơ điện không đồng bọ ba

Hình1.1: Cấu tạo stato
Dây quấn: Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện(dây điện từ).
Thờng làm bằng dây đồng đợc đặt trong các rãnh của lõi thép stato và cách điện
tốt với lõi thép. Dây quấn stato có 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120
0
điện dòng điện
xoay chiều 3 pha chạy trong 3 pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ trờng quay.
b) Cấu tạo phần quay(rôto): Gồm trục, lõi thép và dây quấn.
Trục: Làm bằng thép hình trụ tròn cố định để đỡ lõi thép rôto.
Lõi thép: Gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại giống nh ở lõi thép
stato.Lõi thép đợc ép trực tiếp trên trục bên ngoài lõi thép có xẻ rãnh dọc theo h-
ớng trục để đặt dây quấn.
Dây quấn rôto: Gồm hai loại: Rôto dây quấn và rôto kiểu lồng sóc.
- Rôto kiểu dây quấn: Dây quấn rôto giống nh dây quấn stato và số cực
bằng số cực stato .Các động cơ công suất trung bình trở lên thờng dùng dây
quấn sóng kiểu hai lớp để giảm đợc những đầu nối và kết cấu dây quấn rôto
chặt chẽ hơn. Các động cơ công suất nhỏ thờng dùng dây quấn đồng tâm một
lớp .Dây quấn ba pha của roto thờng đấu hình Y, ba đầu kia nối vào ba vành trợt
bằng đồng cố định ở đầu trục thông qua chổi than và vành trợt, đa điện trở phụ
vào mạch rôto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ.
- Rôto kiểu lồng sóc: Loại dây quấn này khác với loại dây quấn stato. Mỗi
rãnh của lõi thép đợc đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và đợc nối tắt lại
ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm làm thành một cái lồng, ng-
ời ta gọi đó là lồng sóc. Dây quấn kiểu rôto lồng sóc không cần cách điện với lõi
thép.
Với loại rôto kiểu lồng sóc thì động cơ không đồng bộ ba pha kiểu lồng
sóc đợc kí hiệu :
H×nh 1.2: CÊu t¹o r«to
c) Khe hë :
Khe hë trong ®éng c¬ kh«ng ®éng bé rÊt nhá tõ 0.2mm ®Õn 1 mm do ®ã

đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Tuy vậy máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: cosϕ của
máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên được ứng
dụng của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế. Máy điện không động bộ
có thể dùng làm máy phát điện nhưng đặc tính không tốt so với máy phát điện
ng b nờn ch trong mt s trng hp no ú cp ngun in ph tm thi thỡ
nú cng cú mt ý ngha quan trng.
1.5 . Đặc điểm của động cơ không đồng bộ
- Cấu tạo đơn giản
- Giải công suất rộng từ nhỏ cho đến trung bình và lớn
- Đấu trực tiếp đợc vào lới điện xoay chiều ba pha
- Tốc độ quay của rôto nhỏ hơn tốc độ từ trờng quay của stato n<n
1
Trong đó :
n : là tốc độ quay của rôto
n
1
: là tốc độ từ trờng quay của stato (tốc độ không đồng bộ của động
cơ)
1.6. Nguyên lý hoạt động
Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trờng
quay p đôi cực quay với tốc độ là ,
0
n
=
p
f
1
60
từ trờng quay cắt các thanh dẫn

(vòng /phút) thì tốc độ quay của phần cảm

( hay n) luôn
nhỏ hơn(

<

0
;n<n
0
).sai lệch tơng đối giữ hai tốc độ là độ trợt S
S =
0
0



(1-1)
Từ đó :
0

=
(1-S) hay n = n
0
(1-S)
Với
60
.2 n



đợc nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tởng hay tốc
độ đồng bộ ở chế độ động cơ, độ trợt S có giá trị 0

S
.1


Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở rôto cũng là dòng điện xoay
chiều với tần số xác định bởi tốc độ tơng đối của rôto đối với từ trờng quay

1
0
2
.
60
)(
fS
nnp
f
=

=
(1-3)
Động cơ điện không đồng bộ nhận năng lợng điện từ lới điện, nhờ từ tr-
ờng quay điện năng đã đợc biến thành cơ năng. Đồ thị quá trình năng lợng đợc
vẽ trên hình 1.4 khi số pha stato m
1
= 3 ta có:
P
1

2
22
'
2
'2
2
3
==
(1-3)
P
cơ
: Là công suất trên trục:

S
SR
Im
S
SR
IP
co
)1(

)1(
3
2
2
22
'
2
'2

(1-6)

P :là tổng công suất hao tổn trong máy:

efddtst
PPPPP
+++=
21
(1-7)

P
st1
: Tổn hao sắt từ trong lõi thép stato do dòng điện xoáy và từ trễ :

P
dt
: Tổn hao điện trở dây quấn stato:


P
dt
= 3.R
1
.I
1
2
(1-8)

P
d2

=

(1-10)
Trong đó: k
t
= I
1
/I
1đm
hệ số tải
P
0
=

P
st1
+

P
ef
tổn hao không tải
P
n
: Là tổn hao trên điện trở dây quấn stato và rôto khi dòng điện
bằng định mức.
Hiệu suất định mức của động cơ không đồng bộ khoảng (0,75
ữ
0,95).
ở chế độ động cơ điện mômen điện từ đóng vai trò mômen quay ,đợc tính
là:


=
1
Khi đó dòng điện I2 đợc tính là :

2
21
2
2
1
1
)()( XX
S
R
R
U
M
+++
=
(1-13)
=>
])()[(.
3
2
21
2
'
2
1
'

truyền động động cơ không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỉ lệ nhỏ, đó
là việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ có khó khăn hơn động cơ một
chiều. Trong thời gian gần đây do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công
suất và điện tử tin học động cơ không đồng bộ mới đợc khai thác các u điểm của
mình.
Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động tiristor
động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ đợc cấu tạo đơn giản, phần cảm ứng
và phần không tách đặc biệt từ thông động cơ cũng nh mômen động cơ sinh ra
phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh động cơ không đồng bộ là hệ
điều chỉnh nhiều tham số có phi tuyến mạnh.
2.1.2 Những yếu tố ảnh hởng tới tốc độ động cơ không đồng bộ trong quá
trình làm việc
1. ảnh hởng của sự suy giảm điện áp cấp cho động cơ
Ta có mômen tới hạn và trợt tới hạn là:









++
=
22
1
2
(2
nm

: Điện áp ngắn mạch.
R
1
: Điện trở của cuộn dây stato.
R
2
: Điện trở rôto đã quy đổi về stato từ hai biểu thức (2-1) và
(2-2) ta thấy khi điện áp giảm thì S
th
=const ,
const
=
1

còn M
th
giảm bình ph-
ơng lần độ suy giảm điện áp
Hình 2-1:Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điện áp giảm.
2. ảnh hởng của điện trở và điện áp phụ mạch stato
Khi ta nối thêm điện trở hoặc điện áp phụ vào mạch stato. Thì
1

=const,
S
th
giảm, M
th
giảm nên đặc tính cơ có dạng (hình 2-2) ta thấy khi cần tạo ra đặc
tính cơ có mômen khởi động là M


p
f
1
2


=
(2-3)
Khi thay đổi tần số thì tốc độ đồng bộ
0

thay đổi, đồng thời X
1
,X
2
cũng thay
đổi (
lfX
1
2

=
) kéo theo thay đổi cả độ trợt tới hạn S
th
và mômen tới hạn M
th2

1
< f
đm
với điều kiện từ thông
const
dm
=

(hoặc gần đúng
const
f
U
=
2
1
1
) thì M
th
không đổi.
Trong vùng f
1
< f
1đm
mômen tới hạn M
th
tỷ lệ nghịch với bình phơng tần số
Hình 2-4: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ không
đồng bộ
5. ảnh hởng của số đôi cực:
Khi số đôi cực thay đổi thì tốc độ đồng bộ

=
(2-5)

fcc
PPPP
=
2
(2-6)
Hình2-6: Đặc tính cơ
Trong đó :
P
2
: công suất có ích
P
c
: công suất sinh ra trên trục động cơ

c
P

: hao tổn cơ

f
P
: hao tổn
Thay
n.2

=
vào (2-5) ta đợc

0
100.
0
0



=

=
d
d
S
(2-8)
Trong đó
d

: Tôc độ đặt


: Tốc độ làm việc
2. Độ trơn của điều chỉnh tốc độ
Độ trơn của điều chỉnh tốc độ đợc định nghĩa

i
i



1+

Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và
giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho

min
max


=
D
(2-11)
Giá trị tốc độ cực đại
max

bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ với
động cơ một chiều nó còn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của vành
góp .Giá trị tốc độ nhỏ nhất
min

bị chặn dới bởi yêu cầu về mômen khởi động,
về khả năng quá tải về sai số tốc độ lám việc cho khép.
4. Sự phù hợp giữa đặc điểm điều chỉnh và đặc tính tải
Với các động cơ một chiều và xoay chiều thì chế độ tối u thờng là
chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần
lu ý đến các chỉ tiêu nh: Dòng điện động cơ không vợt quá dòng điện định mức
đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong thời gian ngắn ) đảm bảo yêu cầu về
ổn định tĩnh khi có nhiễu trong toàn giải điều chỉnh.
Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động động cơ điều chỉnh tốc độ ngời
ta thờng hạn chế truyền động cũng nh phơng pháp điều chỉnh sao cho đặc tính
điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo đợc điều kiện
này thì tổn thất trong quá trình điều khiển sẽ nhỏ nhất.

2
IP
i


Tổn thất trong mạch từ: Do từ trễ
fB
2

Do dòng xoáy
22
fB
Có thể dùng công thức kinh nghiệm, gần đúng coi tổn thất trong mạch
từ là nh nhau
3,12
fB
Fe

Tổn thất cơ học do chuyển động và quạt gió tỷ lệ với
3

tổn thất do ma
sát tỷ lệ với

. Nói chung tổn thất cơ học là hàm số của tốc độ quay

P
cơ
)(


2
21
'
'
R
RR
K
+
=
với động cơ điện một chiều
R
1
: Điện trở dây quấn stato
R
2
:Điện trở dây quấn rôto đã quy đổi về stato
Khi thay đổi tốc độ từ giá trị
1

đến giá trị
2

trong khoảng thời gian từ t
1
đến t
2
thì có thể tính đợc tổn thất năng lợng từ phơng trình chuyển động của hệ
thống .




=
2
1
)(
0.
t
t
ctco
dtMW

(2-17)
2.2 . Các phơng pháp điều chỉnh quá trình mở máy
Mở máy: khi đóng điện trực tiếp vào stato động cơ không đồng bộ ba
pha rôto dây quấn để khi mở máy thì thoạt đầu rôto cha quay, độ trợt lớn (S=1).
Nếu suất điện động và dòng điện cảm ứng lớn: I
mm
=(5
ữ
8)I
đm
, dòng điện này có
giá trị đặc biệt lớn gây ra đốt nóng động cơ vào gây xung lực có hại cho động
cơ. Tuy dòng điện lớn nhng mômen mở máy lại nhỏ .M
mm
=(
5,15.0 ữ
)M
đ
.

+
=
XX
RR
S
mo
th

3
1
U
I
Pmo
=
(2-19)
Nhờ có R
mở
dòng điện mở máy giảm xuống. Nh vậy có R
mở
mômen mở máy
tăng lên, dòng điệ mở máy giảm xuống, đó là u điểm lớn của loại động cơ này
a. Phơng pháp mở máy bằng điện trở phụ đối xứng mở máy rôto
Trên hình (2-9a) trình bày sơ đồ nguyên lý nối động cơ không đồng bộ
ba pha rôto dây quấn để mở máy qua hai cấp điện trở phụ R
1
và R
2
ở cả ba
pha rôto. Đây là sơ đồ mở máy với các điện trở mở máy đối xứng ở mạch
rôto.

gia vào mach điện rôto. Động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm b trên đặc tính
1 sang điểm c trên đặc tính 2 (
cb

=
) tơng ứng với điện trở phụ rôto là R
2
.
Mômen động cơ tăng từ M
2
nên M
1
và động cơ tiếp tục tăng tốc từ điểm c đến
điểm d trên đặc tính 2. Tới điểm d mômen động cơ lại giảm xuống còn M
2
, lúc
này tiếp điểm K
2
loại nốt điện trở phụ R
2
ra khỏi mạch rôto. Động cơ lại
chuyển trạng thái làm việc từ điểm d (trên đặc tính cơ 2 ) sang điểm e trên đặc
tính cơ tự nhiên t
n
với cùng tốc độ
ed

=
mômen động cơ lại tăng lên M
1

=(1,1ữ1,3)M
đm
b. Phơng pháp mở bằng điện trở phụ không đối xứng ở mạch rôto
Phơng pháp này không đòi hỏi các điện trở mở máy ở các pha rôto
giống nhau và khi cắt giảm điện trở không cần đều nhau.
a) b) c)

d) e) f)
Hình 2-10: Sơ đồ mở máy với 4 cấp điện trở phụ không đối xứng
Lúc đóng điện, toàn bộ các điện trở đợc đa vào mạch rôto, các tiếp điểm
đều mở (Hình 2- 10a ). Trong qúa trình tăng tốc của động cơ, các điện trở lần l-
ợt đợc tách ra khỏi mạch rôto nhờ tác động của công tắc tơ. Theo thứ tự K
1
, K
2
, K
3 ,
và K
4
(các hình 2-10b,c,d,e ). Hai điện trở R
4
và R
5
đợc tách ra khỏi mạch
rôto cùng một lúc nên thụôc cùng một cấp điện trở.
Trờng hợp này mà dùng phơng pháp điện trở đối xứng bình thờng
thì cần phải cần đến 12 điện trở phụ nh hình (2-10f). Phơng pháp mở máy bắng
điện trở không đối xứng ở mạch rôto thờng dùng với các bộ khống chế lực để
kết hợp với việc tạo tạo ra các tốc độ khác nhau khi vận hành cũng nh để đa
động cơ trở về tố độ thấp trớc khi dùng nhằm để đảm bảo độ chính xác.

Hình 2-12
Hình(2-12) trình bày trờng hợp mở máy đơn giản theo phơng pháp
điện trở không đối xứng ở mạchstato. Lúc đầu mới đóng điện thì tiếp điểm K
mở để động cơ làm việc bình thờng. Đây là trờng hợp cần giảm mômen mở
máy cho động cơ công suất nhỏ và trung bình mà không cần hạn chế dòng mở
máy phơng pháp này đơn giản,rẻ tiền mà vẫn đáp ứng đựơc yêu cầu cần thiết.
3. Phơng pháp mở máy dùng biến áp tự ngẫu
Phơng pháp này đợc sử dụng để đạt đợc một điện áp thấp cho động cơ lúc
mở máy nhằm giảm điện áp do đó giảm dòng điện lúc mở máy nhng cũng kéo
theo giảm mômen mở máy.

Hình2-13: Sơ đồ mở máy qua MBA tự ngẫu(a) Đặc tính cơ(b)
Lúc mở máy, các tiếp điểm K
1
,K
2
đóng ,K
3
mở. Khi các tiếp điểm K
3
đóng, K
1
và K
2
mở thì quá trình mở máy kết thúc.
4. Phơng pháp mở máy nhờ đổi nối sao - tam giác
Với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn làm việc bình thờng ở sơ
đồ mắc tam giác các cuộn dây stato thì mở máy có thể mắc theo sơ đồ hình
sao. Thực chất của phơng pháp này là giảm điện áp đặt vào các cuộn dây stato.
Khi đổi nối vì U

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ

của động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ
1

khi đang làm việc ở trạng thái động cơ thì từ trờng quay cắt các thanh dẫn của
cuộn dây stato và rôto theo chiều nh nhau, nên sức điện động stato E
1
và sức
điện động rôto E
2
trùng pha nhau, còn khi hãm tái sinh E
1
vẫn giữ chiều nh cũ
còn sức điện động E
2
có chiều ngợc lại vì khi đó
1

>
, các thanh dẫn rôto
cắt từ trờng quay theo chiều ngợc lại .
Dòng điện trong cuộn dây rôto đợc tính:

2
2
2
2
2
22

còn vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì từ trờng quay.
Những động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp tần
số hoặc số đôi cực. Khi giảm tốc độ có thể thực hiện hãm tái sinh.
Trên hình 3-7 là đoạn đặc tính hãm tái sinh là
1312
,

bb
ở đó
12

>
hoặc
13

>

a) b)