BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
—

–

˜

&

™

—

–
BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG
MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

™

—

– BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG
MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CƠ QUAN CHỦ TRÌ
VIỆN TRƯỞNG


Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước.
- 1 -
1.3

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài.
- 2 -
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT.
- 4 -
2.1

Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ.
- 4 -
2.1.1

Khởi động động cơ không đồng bộ.
- 4 -
2.1.2

Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha.
- 5 -
2.1.3

Bài toán năng lượng.
- 14 -
2.2

Điều áp xoay chiều ba pha.
- 18 -
2.2.1


Khối đồng bộ theo dòng điện.
- 38 -
3.2.2.3

Khối Thyristor.
- 39 -
3.2.2.4

Khối cách li.
- 40 -
3.2.2.5

Khối có chức năng bảo vệ.
- 42 -
3.2.2.6

Khối giao tiếp và khối xử lí trung tâm
- 46 -
3.3

Thiết kế phần mềm
- 49 -
3.3.1

Các công cụ sử dụng
- 49 -
3.3.2

Cơ sở thiết kế

5.4 Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến bộ khởi động mềm trung thế. - 75 -
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 77 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO. - 78 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Sơ đồ khởi động trực tiếp. - 5 -
Hình 2.2: Sơ đồ khởi động đổi nối sao- tam giác. - 6 -
Hình 2.3: Đặc tính dòng theo thời gian của phương pháp đổi nối Y/∆ - 8 -
Hình 2.4: Sơ đồ khởi động nhờ cuộn kháng. - 8 -
Hình 2.5: Sơ đồ khởi động nhờ biến áp tự ngẫu. - 10 -
Hình 2.6: Mở máy bằng cách mắc điện trở phụ vào roto. - 11 -
Hình 2.7: Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp xoay chiều ba pha. - 12 -
Hình 2.8: Các đường đặc tính với các phương pháp khởi động khác nhau. - 13 -
Hình 2.9: Mối quan hệ hiệu suất động cơ với tải làm việc. - 15 -
Hình 2.10: Mối quan hệ hệ số công suất động cơ với tải - 15 -
Hình 2.11: Mô hình tiêu thụ năng lượng điện của động cơ - 16 -
Hình 2.12: Đặc tính Moment theo độ trượt với các chế độ làm việc. - 17 -
Hình 2.13: Mô hình tiêu thụ điện của động cơ - 18 -
Hình 2.14: Sơ đồ đấu sao có trung tính. - 19 -
Hình 2.15: Sơ đồ đấu sao không trung tính - 19 -
Hình 2.16: Sơ đồ đấu tam giác - 20 -
Hình 2.17: Dạng phát xung điều khiển - 20 -
Hình 2.18: Đồ thị điện áp trên tải khi
0
30
α =
- 21 -
Hình 2.19: Đồ thị điện áp trên tải khi
0

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí khối báo khởi động xong - 38 -
Hình 3.17: Khối cách li. - 41 -
Hình 3.18: Bảng lựa chọn R, C bảo vệ van. - 42 -
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lí khối báo mất pha. - 43 -
Hình 3.20: Giản đồ xung đồng bộ của ba pha. - 43 -
Hình 3.21: Bảng chân lí khi đủ pha. - 44 -
Hình 3.22: Bảng chân lí khi mất pha A - 44 -
Hình 3.23: Bảng chân lí khi mất pha B - 44 -
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lí mạch biến đổi dòng cách li. - 45 -
Hình 3.26: Sơ đồ chân và nguyên lí hoạt động của Thermostats. - 46 -
Hình 3.27: Sơ đồ mạch nguyên lí khối phản hồi nhiệt. - 46 -
Hình 3.28: Khối giao tiếp. - 47 -
Hình 3.29: Sơ đồ chân vi xử lí ATMega162. - 48 -
Hình 3.30: Khối xử lí trung tâm. - 49 -
Hình 3.31: Qui luật biến đổi điện áp đặt vào động cơ theo thời gian. - 50 -
Hình 3.32: Mối quan hệ giữa U và α. - 51 -
Hình 3.33: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ
HS2P-200
- 52 -
Hình 3.34: Lưu đồ trạng thái chương trình bộ
HS3P-200
- 53 -
Hình 4.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm. - 56 -
Hình 4.2: Đồ thị điện áp và dòng với bộ HS2P-200 - 58 -
Hình 4.3: Đồ thị điện áp và dòng với bộ đối chứng SM44 IP20 - 58 -
Hình 4.4: Đồ thị áp và dòng với bộ HS3P-200. - 59 -
Hình 4.5: Đồ thị áp và dòng với bộ đối chứng XFE132 của FairFord. - 60 -
Hình 4.6: Động cơ 45kW với tải là quạt hút cho trạm trộn Asphalt - 61 -
Hình 4.7: Bộ sản phẩm của đề tài và máy đo M/I RMS – HTC. - 62 -
Hình 4.8: Máy tính phục vụ việc lưu trữ và đồ thị hóa - 63 -

1. LCD: Liquid Crystal Display
2. EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
3. ALU:
Arithmetic Logic Unit

4.
RICS: Reduced Instruction Set Computer.

5. CISC: Complex Instruction Set Computer
6. CPU: Center Processing Unit
7. PWM: Pulse Width Modulation
8. ADC: Analog Digital Converter
9. SPI: Serial Peripheral Interface
10. IIC: Inter Intergrated Circuit
11. D.O.L: Direct on line
12. IM: Inductor motor Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 1
-
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
Nội dung chính:
v Giới thiệu chung
v Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước
v Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
1.1 Giới thiệu chung.
Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong nền công nghiệp quốc dân.
Ưu điểm nổi bật của động cơ này là : Cấu trúc đơn giản, làm việc chắc chắn, tin cậy, giá
thành hạ… Đặc biệt là nó có khả năng dùng trực tiếp lưới điện mà không cần qua các bộ

đề này nhưng cũng chỉ mang tính thảo luận và chưa có tính qui mô.
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài.
Trong tình hình như vậy, đề tài đặt ra mục tiêu tìm hiểu và thiết kế 02 mẫu khởi
động mềm cho động cơ không đồng bộ 3 pha.
Ø Thông số kỹ thuật
Mẫu KĐM đơn giản (các tham số đặt bằng núm
vặn)
Thông số Giá trị
-

Đi
ện v
ào 3 phase max

VAC

230

- Dòng tải max
AAC
200
- Dải điều chỉnh Điện áp nền,
%Un
30-50
- Thời gian Start
Sec
1.5-30
- Thời gian Stop
Sec
0-30

AAC
điều chỉnh được
- Tiết kiệm điện năng

Đ
i
ều chinh
đ
i
ện áp khi l
àm
việc

Ø Yêu cầu về tính năng.
v Đối với bộ đơn giản (HS2P-200):
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 3
-
• Có khả năng khởi động mềm và dừng mềm.
• Báo lỗi, tự động xử lí lỗi trong quá trình hoạt động như: Mất pha, quá dòng
khởi động, quá nhiệt, hỏng Thyristor.
• Có thể chọn lựa chương trình ứng dụng cho từng loại tải như: Máy bơm,
quạt gió, máy nén, máy nghiền, băng tải…
v Đối với bộ thông minh (HS3P-200):
• Có khả năng khởi động mềm và dừng mềm.
• Báo lỗi, tự động xử lí lỗi trong quá trình hoạt động như: Mất pha, quá dòng
khởi động, quá nhiệt, hỏng Thyristor.
• Giao diện cài đặt đơn giản với các phím bấm và màn hình LCD 16x2 dòng
giúp người vận hành có thể dễ dàng cài đặt các thay đổi như:
o Có thể khởi động hoặc dừng nhanh bằng các tham số mặc định.

Biến đổi năng lượng, từ điện năng thành cơ năng làm quay rotor là đặc điểm cơ
bản nhất của hầu hết các loại động cơ điện. Tuy nhiên việc điều khiển dòng năng lượng
này, đặc biệt trong quá trình khởi động động cơ là một quá trình phức tạp. Các mạch
điều khiển dùng contactor để cho phép đóng hoặc ngắt trực tiếp động cơ với nguồn cấp
là phương pháp đơn giản nhất. Thậm chí ngày nay, sau hơn 100 năm từ khi phát minh ra
động cơ không đồng bộ, thì hệ thống điều khiển động cơ dựa trên contactor vẫn còn
được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, việc điều khiển này gây ra nhiều tác hại không mong
muốn. Như đã biết, moment khởi động của động cơ tỉ lệ với bình phương dòng điện:

2
motor
MI


Dòng khởi động lại tỉ lệ với điện áp cấp cho động cơ
è
2
motor
MU


è Moment khởi động sẽ rất lớn nếu động cơ được đóng trực tiếp vào lưới điện,
gây ra các tác hại cả về cơ khí lẫn điện năng.
- Tác hại về điện năng: Gây sụt áp lưới điện. Dòng khởi động lớn, nếu duy trì
trong thời gian dài gây nóng và hại động cơ.
- Tác hại về cơ khí: Moment khởi động lớn gây ra hiện tượng giật cơ khí
->
nhanh dơ (khớp nối ), dãn (cu roa, băng tải)… làm các bộ phận truyền động
nhanh hỏng, giảm tuổi thọ của thiết bị.


- 6
-
Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là đơn giản, giá thành thấp. Tuy nhiên
phương pháp này gây ra dòng khởi động rất lớn gây ra các tác hại không mong muốn
như đã được đề cập trong mục 2.1.1. Phương pháp này thường ứng dụng cho những
động cơ công suất nhỏ( thường không quá 22kW) hoặc ứng dụng cho những nơi có công
suất nguồn cấp đủ lớn.
2.1.2.2 Đổi nối sao tam giác.
Dựa trên mối quan hệ moment tỉ lệ với bình phương điện áp, nên việc khởi động
động cơ thông qua việc giảm điện áp khởi động được ứng dụng trong thực tế. Phương
pháp đơn giản nhất là khởi động động cơ bằng đổi nối sao tam giác.

Hình 2.2: Sơ đồ khởi động đổi nối sao- tam giác.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 7
-
Phương pháp này thích ứng với những động cơ khi làm việc bình thường đấu
tam giác. Bằng việc sử dụng ba contactor và một relay thời gian, bộ đổi nối sao-tam giác
sẽ làm thay đổi sơ đồ đấu nối của động cơ. Lúc khởi động, K3 đóng, K2 cắt nên động cơ
chạy ở chế độ tải hình sao(= 58% điện áp định mức khi chạy ở chế độ hình sao). Khi
động cơ đạt khoảng 80% tốc độ, bộ đổi nối sẽ chuyển trạng thái làm việc của động cơ từ
sao sang tam giác nhờ relay thời gian thông qua việc đóng K3 và cắt K2.

Khi tải là hình sao thì điện áp đặt lên tải là:
*3
dYF
UU=
Và dòng điện qua tải:
YF
II

M =

Nhận xét: Dòng khởi động giảm
3
, momen khởi động giảm 3 lần so với khởi
động trực tiếp. Mặc dù phương pháp này có cải tiến hơn so với việc khởi động trực tiếp,
tuy nhiên nó vẫn không giải quyết triệt để nhược điểm của việc khởi động trực tiếp. Mặt
khác khi chuyển từ sao sang tam giác sẽ tồn tại thời điểm động cơ không được kết nối
với nguồn cấp, nhưng dòng điện qua rotor vẫn tồn tại gây ra từ trường cắt các cuộn dây
stator. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, sẽ có điện áp trên cuộn dây stator mà tần số phụ
thuộc vào tốc độ quay của rotor. Nếu lực quán tính của tải nhỏ như tải bơm hoặc lực
masat lớn sẽ làm giảm đáng kể tốc độ của động cơ trong thời gian không kết nối này.
Khi động cơ được kết nối lại với nguồn cấp ở chế độ tải tam giác, sẽ có độ lệch pha lớn
nguồn cấp với dòng qua rotor là nguyên nhân khiến dòng qua động cơ tăng vọt.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 8
-

Hình 2.3: Đặc tính dòng theo thời gian của phương pháp đổi nối Y/∆
Tuy chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nhưng hiện tượng trên vẫn gây ra những hư
hỏng nhất định.

2.1.2.3 Dùng cuộn kháng khởi động.

Hình 2.4: Sơ đồ khởi động nhờ cuộn kháng.

Mất một khoảng thời gian dài người ta mới nhận ra được những nhược điểm của
phương pháp khởi động đổi nối sao tam giác như đã đề cập. Sau đó người ta mới phát
minh ra phương pháp điều khiển êm hơn đó là dùng cuộn kháng để khởi động.
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

thêm điện kháng vào, dòng điện mở máy còn lại I
MCK
:
*
DC
LMTT
MCK
DCCKDCCK
U
UI
I
ZKZK
===

Vì mômen mở máy tỷ lệ với bình phương của điện áp nên Mômen khởi động khi
có điện kháng sẽ là :
2
CK
MTT
MCK
M
M
K
=

Dòng khởi động giảm đi
K
CK
lần, momen khởi động giảm
2

UUUUIIII
====

Nên ta có:
L
DC
BA
U
U
k
=
*
DC
LL
DC
DCBADCBA
U
UI
I
ZkZk
===

2
MTT
MBA
BA
M
M
k
=

I
RRRXX
=
++++
(1-7)
2'
2
''2'2
11212
3***()
2()()
f
MRf
f
pURR
M
fRRRXXπ
+
=
++++
(1-8)

Như vậy khi có điện trở phụ thì I
mRf
giảm và M
mRf
sẽ lớn.
Sau khi máy đã quay để giữ một momen điện từ nhất định trong quá trình mở
máy thì ta cần cắt dần điện trở phụ. Khi cắt dần các điện trở phụ sẽ làm thay đổi tốc độ
động cơ. Sau khi cắt hết các điện trở phụ thì tốc độ động cơ đạt đến điểm làm việc sau 3

-
Phương pháp khởi động dùng Thyristor khắc phục được nhược điểm của các
phương pháp khác. Không những giảm được dòng khi khởi động, thêm vào đó quá trình
khởi động êm, không phát sinh tia lửa điện, có thể khởi động được công suất từ nhỏ đến
lớn, linh hoạt trong điều khiển, vận hành đơn giản, an toàn, độ tin cậy cao. Mặt khác một
số loại tải yêu cầu phải dừng mềm động cơ, tức là giảm dần dòng cắt vào động cơ như
thang máy, máy bơm Nếu dùng các phương pháp truyền thống thì khó có thể tích hợp
chức năng này vào trong khi đó việc điều khiển điện áp ra của Thyristor khá linh hoạt
nên hoàn toàn có thể giải quyết được yêu cầu này.
Từ các nhận xét trên ta thấy khởi động bằng Thyristor là ưu việt nhất. Một trong
những khâu quan trọng trong việc thiết kế bộ bộ khởi động theo phương pháp này là
thiết kế mạch điều khiển bộ biến đổi. Vài năm về trước người ta vẫn dùng mạch điều
khiển bằng điện tử tương tự. Mạch này tuy có nhiều ưu điểm nhưng có những nhược
điểm là cồng kềnh, khó cải tiến, khó tự động hóa, sáu van được điều khiển bởi sáu kênh
riêng biệt nên khi một kênh nào đó hỏng thì toàn bộ mạch cũng hỏng nên gây ra vấn đề
về độ tin cậy.
Trong vài năm lại đây, công nghệ số và công nghệ bán dẫn phát triển mạnh. Đặc
biệt là sự ra đời của các dòng vi xử lí với tốc độ tính toán rất nhanh cho phép thực hiện
được nhiều công việc trên một chip duy nhất nên các bộ điều khiển số cũng ra đời. Mạch
điều khiển số khắc phục được các nhược điểm của mạch tương tự như đơn giản, gọn
nhẹ, đặc biệt là khả năng tự động hóa cao,
với nhiều tính năng điều khiển, bảo vệ phong
phú cho các dải hạ thế, trung thế và cao thế (tới hàng chục KV) và với giá thành rất hợp
lý.
2.1.3 Bài toán năng lượng.
2.1.3.1 Giới thiệu chung.
Phần lớn các động cơ sử dụng trong công nghiệp là những động cơ không đồng
bộ ba pha làm việc với tốc độ không đổi. Chúng tiêu thụ phần lớn công suất điện trong xí
nghiệp. Vì vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng khi sử dụng những động cơ này trở lên quan
trọng.

Như vậy để có 4kW công suất ở đầu ra, động cơ cần lấy 7.4kW ở lưới. Có đến
46% năng lượng từ nguồn cấp là vô nghĩa. Các thành phần này bị suy hao vì các nguyên
nhân như phát nhiệt ở cuộn dây, do dòng từ hóa, do masat…
Hình 2.11: Mô hình tiêu thụ năng lượng điện của động cơ

2.1.3.2 Nguyên tắc tiết kiệm điện năng.
Khi đặt một điện áp vào dây quấn stator thì trong dây quấn stator có dòng điện I
1
.
Dòng điện này bao gồm hai thành phần là dòng từ hóa I
0
và dòng qua rotor I
2
tạo ra sức
từ động làm quay rotor:
102
III
=+

Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, moment tải giảm, dòng qua rotor giảm.
Nếu điện áp đặt lên stator không đổi thì dòng qua stator hay năng lượng cung cấp cũng
không đổi. Do đó khi dòng qua rotor giảm thì toàn bộ lượng giảm từ rotor sẽ biến thành
tổn hao do dòng từ hóa theo phương trình trên. Chính điều này là nguyên nhân dẫn đến
hiệu suất động cơ bị giảm. Để giảm thiểu tổn thất khi dòng I
2
suy giảm, rõ ràng từ
phương trình trên ta có thể giảm I


Hình 2.12: Đặc tính Moment theo độ trượt với các chế độ làm việc.

Giả sử khi động cơ làm việc ở chế độ đầy tải và với tốc độ định mức thì điểm làm
việc của động cơ là điểm A. Nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ trong khi tải
làm việc của động cơ giảm è tốc độ động cơ tăng, điểm làm việc sẽ chuyển sang điểm
B có moment của động cơ giảm. Mặt khác moment tỉ lệ với bình phương điện áp nên khi
giảm áp thì moment giảm theo. Giảm áp đến một giá trị thích hợp thì điểm làm việc của
động cơ sẽ chuyển sang điểm “A” có tốc độ bằng với tốc độ của động cơ khi đầy tải.
Giảm áp đặt vào động cơ đồng nghĩa với việc công suất cấp cho động cơ giảm và theo
Báo cáo đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha
- 18
-
đó dòng từ hóa giảm, hiệu suất của động cơ tăng trong khi tốc độ động cơ được giữ
không đổi. Việc giảm áp được thực hiện sao cho dòng từ hóa giảm xuống giá trị như khi
động cơ chạy ở chế độ không tải.
Như vậy việc tiết kiệm điện năng thực chất là việc tăng hiệu suất động cơ hay
chính là cải thiện hệ số công suất của động cơ khi động cơ chạy non tải. Có thể thấy ích
lợi của việc làm này thông qua hình 2.13. Hình 2.13: Mô hình tiêu thụ điện của động cơ

Vẫn dùng động cơ 20kW như đã nói trong mục 2.1.3.1, để công suất trên trục
động cơ là 4kW, thay vì cấp công suất đầu vào là 7.4kW, bằng việc giảm áp đầu vào
động cơ sao cho dòng từ hóa giảm xuống bằng với dòng từ hóa của động cơ khi chạy
không tải. Lúc đó công suất cần cấp cho động cơ sẽ là 5.6kW và hiệu suất động cơ 71%,
năng lượng điện tiết kiệm được mỗi giờ là 7.4 - 5.6 = 1.8kW.