§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Trường
Khoa……………….
………… o0o…………
BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Đề tài:
Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương
pháp điện trở xung

1
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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 được đưa vào ứng
dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được sự
tối ưu 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 được 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 được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm
giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động.
Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng 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 phương
pháp điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh
vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới
chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này,
em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau:

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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 lượng 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 đưa ra nhiều
phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp.
Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được 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 ưu điểm nổi bật của nó như: 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 lưới 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 như:
Trong công nghiệp thường 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 như làm quạt gió, máy bơm
nước, 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 được cải thiện và mở rộng.
Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của nó.
Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có một số
nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosϕ thấp, khống chế các quá
trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động


5
C
1
x
1
C
1
r
1
C²
1
r'
2
/s
C²
1
x'
2
x
m
r
m
U
1
I
1
-I''
2
I

2
2
2
•
2
•
11
1
•
1
•
1
•
(I)
Hình 1. Mạch điện thay thế hình T của động
cơ không đồng bộ.
x
1
r
1
r'
2
x'
2
x
m
r
m
U
1

không tải ứng với lúc s = 0;
1
•
2
•
2
•
C
'I-
=''I-
gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình Ã.
Thực tế,
1
C
•
chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có thể coi
1=+1=
1
1
•
m
x
x
C
.
Như vậy:

Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa:
III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình à đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của

(II)
6
Hình 3. Mạch điện thay thế hình à đơn
giản hóa của động cơ không đồng bộ.
x
1
r
1
r'
2
/s
x'
2
x
m
r
m
U
1
I
1
-I'
2
I
0
r
1
x
1
(1)

P
12
=M
đt
.ω
0
Trong đó: M
đt
– mômen điện từ của động cơ
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì M
đt
= M
cơ
, ta ký hiệu:
M
đt
= M
cơ
= M
Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa ra trục động cơ P
cơ
và
công suất tổn hao trong rôto ∆P
2
nghĩa là:
P
12
= P
cơ
+ ∆P

Kết hợp với phương trình tốc độ ω = ω
0
(1 – s) ta có dạng đường cong đặc
tính cơ:

7
]x+)
s
'r
+r[(
'rU3
=M
2
nm
2
2
1
0
2
2
f
ω
(2)
)xrr(2
U3
M
2
nm
2
110

M
th
th
th
+
=
nm
th
x
'r
s
2
=
nm0
2
f
th
x2
U3
M
ω
=
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Điểm cực trị của đặc tính cơ thường được gọi là điểm tới hạn có tọa độ
[M
th
, s
th
]:
Ta có thể viết phương trình đặc tính cơ dưới dạng khác thuận tiện hơn bằng

th
≈ 0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx:Đối với các động cơ có công suất lớn thường r
1
<< x
nm
nên ta có:
(5)
B. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ

8
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có
điều chỉnh tần số.
§
var
f
b
U
b
const
f
1
U
1
BiÕn
TÇn
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

1
, số đôi cực
p và hệ số trượt s. Tương ứng với sự điều chỉnh các thông số trên ta có các
phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ:
- Thay đổi tần số f
1
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 lưới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay trong
máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng stato ta có thể điều chỉnh được
tốc độ của động cơ. Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta dùng bộ nguồn
biến tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ như sau:9
1
1
•
1
•
1
•
1
•
ZI-U=fc=E

=φ
Từ phương trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U
1
(U
1
= const), khi
tăng tần số f
1
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. Ngược 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.
Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải
thay đổi điện áp một cách tương ứng.
Người ta chứng minh được rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều
chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi
)constM/M(
cth
==λ
thì chế độ làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức
tối ưu giống như khi làm việc ở thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cosj của
máy trong toàn dải điều chỉnh gần như 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.
- Khi M
c
= const

1®m
f
12
ω
- Khi M
c
≡ ω
2
M
Mc
0
f11
f1®m
f12
ω
3. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
tần số có các ưu, nhược điểm sau:
 Ưu điểm
 Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ.
 Dải điều chỉnh tốc độ D lớn.
 Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến tần mắc trực tiếp
từ lưới điện, do đó không cần các thiết bị biến đổi, nó sử dụng

11
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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 trường.
 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.

– kháng mạch stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:
]x+)
s
'r
+r[(
'rU3
=M
2
nm
2
2
1
0
2
2
f
ω

12
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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 được 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 như sau:
Từ mạch điện thay thế hình à 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 cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn mômen tải M

> x
f2
).
x
f2
x
f1
®t.gh
M
c.cp
M
0
ω
ω 0
§
x
f
U
∼
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
 Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trượt tới hạn càng nhỏ,
do đó khả năng mang tải càng kém và độ ổn định tĩnh cũng như
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 lượng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi
giảm tốc độ và hệ số công suất cosϕ thấp do nối thêm kháng.
 Phạm vi ứng dụng
Phương pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không đồng bộ
rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhược điểm do đó ít

= xU
đm
, thì sức điện động E và từ thông φ cùng bằng x lần giá trị ban
đầu và I’
2
tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trượt:
1
2
2
21
t®
2cu
M
'r'Im
=
P
P
=s
ω
nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x
2
lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ điện ở điện áp
m®1
xU=U
sẽ là:

14
Hình 8. Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện không
đồng bộ có điều chỉnh điện áp nguồn.
Var

điều chỉnh.
 Nhược điểm
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp có
nhược điểm là làm việc không ổn định do hệ thống nhạy với sự thay đổi của điện
áp.
 Phạm vi ứng dụng
Phương pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng
theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm.
IV. Phương 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 R
f
mắc
vào rôto), dòng điện stato I
1
và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến

15
Hình 9. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện
áp stato, U
12
> U
11
.
U12
U11
®t.tn
M
Mth.u

2
tăng lên. Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho
đến khi M = M
c
thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới ω
2
< ω
1
. Trạng thái này ứng
với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh.
Từ phương trình (3) và (4):16
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý v à đặc tính cơ của động
cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng điện trở.
U∼
Rf
a'
b
a
M
MthMc0
ω2
ω1
ω0
ω
§
)xrr(2
U3

Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện động phụ v o à
mạch rôto của động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc độ
của nó trong sơ đồ nối tầng.
§
§
E
f
∼
E
f
=
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Ta thấy, khi tăng
điện trở rôto thì độ trượt giới hạn s
th
tăng và mômen tới hạn M
th
không đổi.
2. Các ưu, nhược 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.
 Nhược điểm
 Dải điều chỉnh tốc độ bé.
 Tổn hao năng lượng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở R
f
.

•
(8)
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này như sau:
Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng từ
lưới và sinh năng lượng trượt ở mạch rôto
sMP
0s
ω=∆
. Khi đưa E
f
vào, dòng
điện rôto khi đó
Ta giả thiết M
c
= const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính ứng
với một giá trị E
f
nào đó. Nếu tăng E
f
lên thì dòng I
2
giảm, mômen điện từ của
động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen M
c
, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi
tốc độ giảm, độ trượt tăng làm cho E
2
= E
2nm


18
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thường áp dụng cho các
truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm điện năng có ý
nghĩa lớn. Phương pháp này nên áp dụng cho các truyền động có
số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì thường ta khởi
động bằng phương pháp khác cho đến khi tốc độ đến vùng làm
việc thì mới sử dụng phương pháp này để điều chỉnh tốc độ.
Kết luận:
Từ việc phân tích các ưu, nhược điểm của các phương 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 phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng điện
trở xung rôto là thích hợp nhất.
CHƯƠNG II
CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC
A. CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔTO
DÂY QUẤN
P
đm
= 7,5 KW; n
đm
= 695 v/ph; cosϕ
đm
= 0,74; I
1đm
= 20,6 A; E
20
= 254 V;
r

m®m®11
m®
η
ϕ
η
Hệ số trượt của động cơ:
3000
695p
-1=s
60f
np
-1=s
1
Do số đôi cực p là số nguyên, với các giá trị:

19
2
nm
2
2
1
f
2
x+)
s
'r
+r(
U
='I
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Trong đó:
Ta lấy E
1
= 0,95U
1
.
Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số biến đổi dòng điện
bằng tỷ số biến đổi điện áp:
42,1=k=k
ie
r
1
= 1,04
Ω
;
r’
2
= k.r
2
= k
e
2
.r
2
= 1,42
2
.0,462
r’
2
= 0,932

932,0
+04,1(
220
='I
22
2

20
R
f
U
1
=380V
~
AP
K
RN
§
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ điều
chỉnh xung điện trở rôto.
§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Dòng điện định mức trong dây quấn rôto:
A377,22=759,15.42,1=I
'I.k=I
2
2i2
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 U
1

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Trong sơ đồ trên:
AP - áp tô mat;
K - công tắc tơ có dập hồ quang;
RN - rơle nhiệt;
R
f
- điện trở điều chỉnh mạch rôto.
I. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto
Để khắc phục một số nhược điểm quan trọng trên và mở ra khả năng tự
động hóa hệ thống, người ta dùng phương pháp điều chỉnh xung điện trở. Đây là
một phương pháp phát triển của phương pháp biến trở. Sơ đồ nguyên lý của
phương pháp này như sau:
Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng “điện trở xung” R
x
. Để
dùng R
x
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 tưởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân khi đóng là
K
kh
= 0 và khi cắt là R
kh
= ∞, thì khi K đóng R
x
= 0, và khi K cắt R
x
=R. Như vậy,

x
và một bộ chỉnh lưu có sơ đồ như sau:
Bộ chỉnh lưu CL không cần yêu cầu cao về điện áp, do đó ta chọn sơ đồ
chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Sơ đồ nguyên lý như sau:

23
K
R
R
x
U
~
Hình 15. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở
rôto.
Đ
®tf
R
2
1
=R
Hình 16. Biến thiên điện trở v dòng à điện theo thời gian
khi điều chỉnh xung điện trở.
R
K ®ãng
K c¾t
t®
tc
tck
0
t

K
cl
- hệ số biến đổi phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu, đối với sơ đồ chỉnh lưu
cầu ba pha không điều khiển
23,1=
I
I
=k
2
d
cl
.
Đối với sơ đồ hình 10 ta có:

)R+r.(I3=P
f2
2
2
∆
(9)
Nhiệt lượng tỏa ra trong hai trường hợp là như nhau, do đó, cân bằng
phương trình (8) và (9) ta có:
)R+r.(I3=)R+r2.(I.k=)R+r2.(I=P
f2
2
2®t2
2
2
2
cl®t2

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Do ảnh hưởng của dây quấn trong động cơ nên mạch điện có tính cảm, do
vậy dòng điện thay đổi theo quy luật hàm mũ như hình 14. Khi khởi động, nó
tăng từ 0 theo một đường răng cưa lũy tiến. Sau một thời gian đủ lớn, đường răng
cưa đó trở nên xác lập và có I
max
, I
min
không thay đổi. Trạng thái này gọi là “tựa
xác lập”.
Khi “tựa xác lập”, phương trình dòng điện là:

dd
T
t
dmin®®
e).I-I(+I=i
( trong khoảng thời gian t
đ
).

dc
T
t
cmaxcc
e).I-I(+I=i
( trong khoảng thời gian t
c
).
Trong đó :

do đó dòng điện
tăng và giảm theo một đường có thể coi là đường thẳng từ I
min
đến I
max
và từ I
max
đến I
min
. Như vậy

trong cả hai khoảng thời gian đóng và cắt đều có một giá trị
dòng trung bình.
)I+I(
2
1
=I
minmaxtb
Nhiệt lượng tỏa ra trong toàn mạch trong cả chu kỳ là :

d2
2
tbc2
2
tb
t.r2.I+t).R+r2(I=A∆
(11)
Mặt khác, nếu coi trong mạch có một điện trở cố định (R
tđ
+ 2r