Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
`
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực Điện - Điện Tử Tin Học phát triển
rất là nhanh chóng, chúng thay đổi trong từng ngày từng giờ. Hiện nay, trong các
dây chuyền sản xuất hiện đại, truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong
việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động luôn
được quan tâm nghiên cứu để đáp ứng các yêu cầu công nghệ. Và hệ truyền
động động cơ không đồng bộ cũng không nằm ngoài phạm vi đó.
Do có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ
nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác
nhau như:
+ Trong công nghiệp: dùng làm nguồn lực cho máy cán thép vừa và nhỏ,
động lực 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 làm máy bơm hay gia công nông sản.
+ Trong đời sống hàng ngày: động cơ không đồng bộ chiếm một vị trí
quan trọng như: quạt gió, máy quay dĩa, máy bơm nước cỡ nhỏ,…
Vì có những ứng dụng rộng rãi như vậy nên việc nghiên cứu, phát triển
truyền động động cơ không đồng bộ là việc vô cùng ý nghĩa. Nhờ sự phát triển
của công nghệ chế tạo bán dẩn mà các phương pháp điều chỉnh truyền động bằng
cơ khí đang được thay thế bằng phương pháp điện. Điều đó mang lại nhiều lợi
ích to lớn vì truyền động bằng phương pháp cơ khí đòi hỏi không gian lớn, cần
có buồng dập hồ quang, không chắc chắn so với phương pháp truyền động bằng
điện.
Xuất phát từ vấn đề thực tế trên, đồ án này em sẽ nghiên cứu thiết kế hệ
truyền động động cơ không đồng bộ roto dây quấn bằng phương pháp điện trở
xung với van bán dẩn là Thyristor công suất, điều khiển động cơ
10 kW – 1460 v/ph.
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 1
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành

nghiệp chế tạo bán dẩn công suất và kỹ thuật điện tử tin học. ĐCKĐB mới
được khai thác các ưu điểm của nó. Nó trở thành hệ truyền động cạnh
tranh với hệ truyền động thyristor - Động cơ một chiều.
• Khác với động cơ một chiều, ĐCKĐB được cấu tạo phần cảm và phần
ứng không tách biệt. Từ thông và mômen phụ thuộc vào nhiều tham số.
Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện ĐCKĐB là hệ điều chỉnh
tham số có tính phi tuyến mạnh. Trước khi đi sâu vào nghiên cứu ta phải
biết rõ các khái niệm về hệ truyền động điện.
I.1. Khái niệm cơ bản về truyền động điện:
I.1.1. Cấu trúc chung và phân loại:
• Cấu trúc chung: Gồm 2 phần chính.
Phần lực: là bộ biến đổi và động cơ truyền động.
+ Bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều,
xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khếch đại từ, cuộn kháng bão hoà), bộ
biến đổi điện tử (chỉnh lưu Thyristor, biến tần Tranzitor, Thyristor).
+ Động cơ điện như: động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng
bộ, ….
Phần điều khiển: Gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và
công nghệ, thiết bị điều khiển và đóng cắt.Đồng thời một số hệ truyền
động có khả ngăng ghép nói với các thiết bị tự động khác
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 3
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
• Phân loại: Có 2 loại như sau:
+ Truyền động không điều chỉnh: Thường động cơ nối trực tiếp với lưới
điện quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
+ Truyền động có điều chỉnh: Tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà có
truyền động điều chỉnh tốc độ, mômen, lực kéo và vị trí.Trong cấu trúc hệ
truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ.
Trong đó: + BBĐ: Bộ biến đổi
+ ĐC : Động cơ truyền động.

Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
• Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, khái niệm độ cứng đặc tính cơ:
M
β
ω
∆
=
∆
+ β : nhỏ - Đặc tính cơ mềm (đường 1)
+ β : lớn - Đặc tính cơ cứng (đường 2)
+ β → vô cùng: Đặc tính cơ tuyệt đối cứng (đường 3)
• Truyền động có đặc tính cơ cứng tốc độ thay đổi rất ít khi mômen biến biến
đổi lớn. Truyền động có đặc tính cơ mềm tộc độ giảm nhiều khi mômen
tăng. Được biểu diển như hình 1.2
I.1.3. Đặc tính cơ của máy sản xuất:
Có dạng:
( )( )
c co dm co
dm
M M M M
α
ω
ω
= + −
Trong đó: + M
co
: Mômen ứng với tốc độ ω = 0.
+ M
đm
: Mômen ứng với tốc độ định mức ω = ω

thuộc vào góc quay, mô men phụ thuộc vào đường đi, mô men phụ thuộc
vào số vòng quay, mô men phụ thuộc vào thời gian,… Hình dạng cụ thể
được biểu diển trên hình 1.3.
I.1.4.Trạng thái làm việc của truyền động điện:
• Trong hệ truyền động điện, bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng
điện - cơ. Chính quá trình này quyết định trạng thái làm việc của truyền
động điện.
• Định nghĩa: + Dòng công suất P
đ
có giá trị dương nếu nó truyền từ nguồn
đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành
công suất cơ cho máy sản xuất. Công suất cơ này có giá trị
dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc
độ quay.
+ Dòng công suất có giá trị âm nếu nó có chiều ngược lại.
+ Mômen của máy sản xuất gọi là mômen cản. Dấu âm,
dương ngược lại với dấu mômen của động cơ.
• Phương trình cân bằng công suất của hệ truyền động:
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 6
1
3
2
4
ω
cđm
0
M
CĐ
M
cđm

- Hãm động năng: P
đ
= 0, P
c
< 0: Cơ năng biến thành tổn thất công
suất ∆P.
• Để dể hiểu và thuận tiện, hai trạng thái hãm và động cơ được biểu diển
như hình sau.
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 7
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
I.1.5 .
Phương trình động học của truyền động điện:
• Phương trình cân bằng năng lượng của hệ truyền động điện.
c
W W W
= + ∆
Trong đó: + W: Năng lượng đưa vào động cơ.
+ W
c
: năng lượng tiêu thụ của máy truyền động.
+ ∆W: Mức chênh năng lượng giữa năng lượng đưa vào và
năng lượng tiêu thụ là động năng của hệ
2
1
2
W j
ω
∆ =
• Đạo hàm phương trình (1) và chia hai vế cho ω ta có:
2

P
c
= M
đ
.ω > 0
Hình1.4.Trạng thái làm việc của truyền động điện trên các
góc phần tư đặc tính cơ.
(1)
(2)
(3)
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
Trong đó:
M
dt
dW
=
ω
1
1
c
dW
M
dt
ω
=
2
1 1
( )
2
d

M = M
c
thì dω/dt = 0 : Hệ làm việc ổn định.
I.1.6.Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện:
• Như đã biết khi M= M
c
thì hệ truyền động làm việc ổn định tĩnh. Điểm
làm việc ổn định là giao điểm của hai đặc tính cơ của động cơ và của máy
sản xuất.
• Tuy nhiên không phải với bất kỳ động cơ nào cũng có thể làm việc với các
loại loại tải mà nó phải có giao điểm giao nhau đó thoả mản điều kiện ổn
định.
• Để xác định điểm làm việc ta dựa vào phương trình (5) tại giao điểm.
[( ) ( ) ]( )
c
x x x
M
d M
J
dt
ω ω
ω ω
∂
∂
= − −
∂ ∂
Điều kiện ổn định là:
( ) ( ) 0
c
x x

• Các biểu thức trên có thể biểu diển ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược ví
dụ như: ω = f(M) hay M = f(ω).
• Trong kỹ thuật điện để đơn giản trong tính toán hoặc dể dàng so sánh,
đánh giá các chế độ làm việc của truyền động điện người ta dùng hệ đơn
vị tương đối.
• Muốn tính đại lượng tương đối ta lấy đại lượng đó chia cho trị số cơ bản
của đại lượng đó. Đại lượng cơ bản thường được chọn là: U
đm
, I
đm
, ω
đm
,
M
đm
, φ
đm
, R
cb
. Đại lượng tương đối ký hiệu có dấu ∗. Vậy:
dm
U
U
U
∗
=
dm
M
M
M

cb
+ Động cơ không đồng bộ: Thông thường điện kháng định mức ở mỗi pha
của rôto rất nhỏ so với tổng trở định mức nên có thể coi gần đúng là: R
2cb
= Z
2cb
.
Khi mạch rôto đấu sao tacó:

2
2
2
3
nm
cb
dm
E
R
I
=
Trong đó:+ E
2nm
: sức điện động ngắn mạch
+ I
2dm
: dòng điện định mức ở mỗi pha
Khi mạch rôto đấu tam giác thì:
2 2
1
2

2
’
: Các dòng điện từ hoá, dòng stato và dòng rôto đã qui đổi
về stato.
+ X
µ
, X
1
δ
, X
2
δ
’
: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và điện
kháng tản rôto qui đổi về stato.
+ R
µ
, R
1
, R
2
’
: Điện trở mạch từ hoá , cuộn dây stato và cuộn dây rôto
đã qui đổi về stato.
+ s: độ trượt của động cơ.
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 11
I
1
I
µ

2 f
p
π
ω
=
+ f
1
: Tần số của điện áp nguồn đặt vào động cơ.
+ p: số đôi cực từ của động cơ.
+ ω : Tốc độ góc của động cơ.
• Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện rôto:
1 1
2 2 '
2 2
2
1
1 1
( )
f
nm
I U
R X R
R X
s
µ µ
 
 
 
= +
 

+
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 12
ω
s
ω
1
I
1
I
0
0
F
ĐC
R
f
=0
R
f
=0
I
1nm
Hình 1.6.Đặc tính dòng điện stato của
ĐCKĐB
(6)
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
Với: + I
1nm
: Dòng điện ngắn mạch stato
+ I
µ

'
2 2
' 2 2
1 2
( )
f
nm
nm
U
I I
R R X
= =
+ +
Đặc tính dòng điện được biểu diển như trên hình 1.7
• Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:
12 1
.
dt
P M
ω
=
Trong đó: M
đt
: mô men điện từ của động cơ, nếu bỏ qua tổn thất thì
M
đt
= M
cơ
= M
Công suất này chia làm hai phần:

2
Hay: Mω
1
= Mω + ∆P
2
→ ∆P
2
= M(ω
1
- ω) = Mω
1
s
Mặt khác: ∆P
2
= 3I
2
’2
R
2
’
nên:
'2 '
2 2
1
3I R
M
ω
=
Thay (7) vào (8) ta được:
'2 '

thF
s
thF
M
thĐ
0
s
thĐ
ω
1
ω = 0
s=1
Hình 1.8.Đồ thị đặc tính cơ của ĐCKĐB
(8)
(9)
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
'
2
2 2
1 1 1
2 ( )
th
nm
R
s
R R X
ω
= ±
± +
Thay (10) vào (9) ta được:

+
=
+ +
Trong đó: a = R
1
/R
2
’
+ Đối với động cơ công suất lớn thường R
1
rất nhỏ so với X
nm
nên có thể
bỏ qua R
1
. Nghĩa là coi R
1
= 0 và as
th
= 0.
+ Lúc này (12) trở thành:
2
th
th
th
M
M
s
s
s s

th
th
M
M s
s
=
.
M M s
s
β
ω ω
∆ ∆ ∆
= =
∆ ∆ ∆
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 15
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
Với:
2
th
th
M
M
s s
∆

2
1
2
th th
M s
s
β
ω
=
→ Trong đoạn này độ cứng β dương và giá trị của nó biến đổi. Động cơ
không đồng bộ không làm việc trên đặc tính này.
I.3.Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:
I.3.1.Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
'2 '
1 2
'
2 2
2
1 1
3
( )
f
nm
U R
M
R
R X s
s
ω
=

= const.
+Ta có đặc tính cơ như hình 1.9
I.3.3.Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stato:
Khi nối thêm điện trở hay điện kháng vào mạch stato thì:
+ ω
1
= const.
+ s
th
giảm.
+ M
th
giảm.
Đặc tính cơ có dạng như hình 1.10.
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 17
M(N.m)
s
ω
ω
1
M
nm
U
đm
TN
M
c2
M
nm2
M

, R
1
, X
1
có thể thay đổi và do đó tuỳ từng trường hợp
sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn.
I.3.5.Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto:
• Đối với động cơ rôto dây quấn thường mắc thêm điện trở phụ vào mạch rô
to để hạn chế dòng khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ. Khi đưa R
2f
vào
thì:
+ ω
1
= const.
+ M
th
= const.

' '
2 2 f
th
nm
R R
s
X
+
=
• Khi R
2f


1
'
2
' 2 2
1 2
( )
f
nm
nm
U
I
R R X
=
+ +
Như vậy: R
2f
↑ thì I
2nm
’
↓. Sơ đồ mắc mạch, đặc tính cơ được biểu diển như
hình 1.11.
I.3.6.Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới điện:
• Xuất phát từ biểu thức ω
1
= 2πf/p ta thấy khi thay đổi tần số sẽ làm thay
đổi từ trường quay và tốc độ động cơ thay đổi.
• Khi f
1
> f

Trường Đại Học Quy Nhơn trang 19
R
f
M
th
3
2
1
TN
ω
o
ω
M
Hình 1.11. Ảnh hưởng của điện trở rô to đến đặc tính cơ
(16)
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
I.4.Khởi động và cách xác định điện trở khởi động:
• Vấn đề khởi động là một trong những yêu cầu quan trọng của truyền động,
với giá trị dòng điện khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển
mạch và phát nóng của động cơ cũng như sụt áp trên lưới điện.
• Đối với động cơ rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động cũng như tăng
mômen khởi động ta đưa điện trở phụ vào mạch rôto trong quá trình khởi
động sau đó loại dần điện trở phụ theo từng cấp. Sau đây là nguyên lý và
đặc tính khởi động:
• Quá trình tính toán khởi động như sau:
+ Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
+ Chọn các trị số của mômen:
1
0.85
th

0
s
b
K
a
e
d
c
g
f
h
1k
2k
3k
Hình 1.12.Khởi động ĐCKĐB rôto dây quấn bằng cách đưa điện trở
phụ vào mạch rôto khi khởi động
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
• Xác định điện trở khởi động:
+ Ta đã biết:
2 2
2
f
NT
TN
R R
s
s R
+
=
→

Kh Kf fh
R R R
Kb Kb
−
= =
I.5. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.
Cho đến nay, người ta đã nghiên cứu rất nhiều về vấn đề điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ, nhưng nhìn chung thì mỗi phương pháp đều có ưu
khuyết điểm riêng của nó và chưa giải quyết được toàn bộ các vấn đề như: Phạm
vi điều chỉnh, năng lượng tiêu thụ, độ bằng phẳng khi điều chỉnh, thiết bị sử
dụng,…. Mặc dù vậy, nhưng ứng với từng yêu cầu cụ thể thì ta có thể đưa ra các
phương pháp điều chỉnh phù hợp, đáp ứng nhu cầu.
Từ phương trình [
0
2.π.
(1 ) (1 )
p
f
ω S S
ω
= − = −
], ta thấy tốc độ của động cơ
điện không đồng bộ phụ thuộc vào tần số, số đôi cực và hệ số trượt của động cơ.
Như vậy, để diều chỉnh tốc độ của động cơ này ta có thể điều chỉnh các
thông số (f, s và p) cũng có thể đáp ứng được một số yêu cầu nhất định.
Trong công nghiệp thường sử dụng một số hệ truyền động điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ như sau:
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của đông cơ
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato

n
0
f
=
hay
p
2.π.
0
f
ω
=
Do vậy, bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp cho phần cảm, ta có thể điều
chỉnh tốc độ của động cơ. Để làm được điều này người ta dùng bộ biến tần để
cung cấp cho động cơ .
Khi thay đổi tần số thì trở kháng động cơ thay đổi, do đó kéo theo từ
thông, dòng điện … cũng thay đổi. Cụ thể khi giảm tần số thì nguồn cảm kháng
(X
1
= 2πf
1
) giảm làm cho dòng điện tăng lên. Muốn động cơ không bị quá dòng
ta cần phải giảm điện áp theo sự giảm tần số.
Người ta chứng minh được rằng, khi thay đổi tần số cần phải thay điện áp
cấp cho phần cảm theo quy luật nhất định, tức là không bị quá dòng, hay điện áp
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 22
const
var
U
b;
f

• . Sơ đồ nguyên lý:
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 23
ω
1
ω
2
ω
13
ω
14
ω

15
ω
16
ω
0
ω(rad/s)
f
1
f
2
f
3
f
o
=f
đm
f
14

1
tỷ lệ nghịch với p, khi tần số không đổi nếu ta thay đổi
số đôi cực của động cơ thì ta sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ đó.
Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu đôi cực thì tốc độ động cơ có
bao nhiêu cấp tương ứng.
Ta có thể dùng phương pháp này tạo ra nhiều cấp thay đổi số đôi cực của
dây quấn, nhưng thường dùng nhiều cho động cơ hai cấp tốc độ, có hai cách đấu
như sau:
Sơ đồ:

hình 1.16. Đấu nối dây quấn stato của động cơ từ Y
→
YY
Trường Đại Học Quy Nhơn trang 24
r
1
x
1
*
r
1
x
1
*
∼
∼
r
1
x
1

*
r
1
Đồ án tốt nghiệp SVTH : Ngô trung Thành
Để thay đổi số đôi cực p, người ta thay đổi cách đấu dây ở stato của động
cơ. Những máy đặc biệt này người ta gọi là máy đa tốc độ, số đôi cực của động
cơ thay đổi bằng hai cách khác nhau:
- Cách thứ nhất: Dùng hai tổ đấu dây riêng biệt, mỗi tổ có hai số đôi cực
riêng, những động cơ cấu tạo theo cách này to và nặng. Ưu điểm của cách này
tạo ra được hai cấp tốc độ khác nhau, không phụ thuộc nhau. Tuy nhiên khi tổ
dây này làm việc thì tổ kia hoàn toàn bỏ không, nên không tận dụng được vật
liệu của máy điện.
- Cách thứ hai: Dùng một tổ dây quấn stato, nhưng mỗi pha được chia làm
hai đoạn, từ đó sẽ thay đổi được p, tuy nhiên cách này phức tạp hơn và hai tốc
độ tạo ra lệ thuộc nhau. Tuy nhiên những động cơ chế tạo theo cách này nhỏ,
nhẹ hơn nhiều và tận dụng tốt vật liệu cấu trúc máy điện
• Nhận xét :
- Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, giá thành hạ, các dặc tính cơ
đều cứng, khả năng điều chỉnh triệt để. Độ chính xác duy trì tốc độ cao,
tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể.
- Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là có độ tinh kém (nhảy cấp),
dải điều chỉnh không rộng, kích thước của động cơ lớn hơn, nên đông cơ đa tốc
độ được chế tạo với công suất dưới (20÷30)kw như được sử dung trong một số
máy cắt kim loại,bơm ly tâm, quạt gió
I.5.3.Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto dây quấn bằng cách thay
đổi hệ số trượt (s).
Như ta đã biết, mômen của động cơ tỷ lệ thuận với bình phương điện áp
đăt vào stato, phụ thuộc vào công suất trượt của động cơ, phụ thuộc vào điện trở
rôto. Như vậy, khi thay đổi các thông số này thì mômen cực đại của động cơ
cũng thay đổi, kéo theo hệ số trượt (s