Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường Đại Học Quy Nhơn Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Họ và tên : HÀ ANH TUẤN
Khoá : K
32
Khoa : Kỹ Thuật & Công Nghệ
Ngành học : Kỹ thuật điện
I. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế bộ khởi động cho động cơ không đồng bộ ba pha bằng Thyristor.
II. Các số liệu ban đầu:
Động cơ không đồ bộ xoay chiều ba pha có các thông số sau:
Công suất định mức : P
đm
= 200KW.
Tần số định mức : f
đm
= 50 Hz.
Điện áp định mức : U
đm
= 220/380V.
Tốc độ định mức : n
đm
= 2970( vg/ph).
Hệ số góc định mức : cosφ
đm
= 0,94.
Hiệu suất : η
đm
= 0,91.

VI. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : Ngày …Tháng …Năm 2009
VII. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: Ngày …Tháng …Năm 2009
CHỦ NHIỆM KHOA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
( Ký, ghi rõ họ tên ) ( Ký, ghi rõ họ tên )
TH.S: NGUYỄN THÁI BẢO
Kết quả điểm đánh giá:
Quá trình thiết kế:
Bảo vệ thiết kế:
Quy Nhơn, ngày … tháng ……năm 2009
Sinh viên thực hiện
( Ký và ghi rõ họ tên )

LỜI NÓI ĐẦU
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 2
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
Động cơ không đồng bộ ba pha là một thiết bị điện được sử dụng rất phổ
biến trong mọi lĩnh vực sản xuất và đời sống, thay cho các động cơ khác vì nó có
nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, rẻ tiền và kích thước gọn nhẹ, vận hành
tin cậy, nhất là loại rôto lồng sóc ( như quạt gió, bơm nước, truyền động để di
chuyển các băng tải sản xuất…).
Nhược điểm của nó là đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây với các
phương pháp điều khiển, mở máy động cơ không đồng bộ còn gặp nhiều khó
khăn và hạn chế. Bởi vì các thiết bị điều khiển còn thô sơ, đơn giản, nên động cơ
không đồng bộ này phải nhường chổ cho động cơ điện một chiều.
Ngày nay với sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, truyền động cộng
với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như vi xử lý, điện tử công suất nên đã hạn
chế được nhược điểm trên, đưa động cơ không đồng bộ trở thành phổ biến. Nhằm
nâng cao năng suất cũng như tự động hoá trong quá trình sản xuất, đã góp phần
đáng kể vào mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Do vai trò của động cơ không đông bộ là quan trọng nên em chọn đề tài

SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 4
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
Trang
Lời nói đầu. 3 - 4
PHẦN I
KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I. Cấu tạo và đặt điểm của động cơ không đồng bộ. 9
I.1. Cấu tạo: 9
I.1.1.Cấu tạo phần tĩnh ( stato ). 9
I.1.1.1. Võ máy. 9
I.1.1.2. lõi sắt. 9 – 10
I.1.1.3.Dây quấn. 10
I.1.2.Cấu tạo phần quay ( Rôto ). 10
I.1.2.1. Trục. 10
I.1.2.2. Lõi sắt. 10
I.1.2.3. Dây quấn Rôto. 10
I.1.2.4. Khe hở. 11
I.2. Đặc điểm của động cơ không đồng bộ. 11 – 12
I.3. Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ. 12
I.4. Cách đấu dây của động cơ. 12
I.5. Vai trò của động cơ không đồng bộ. 14
II. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ. 14 – 17
III. Các phương pháp cơ bản của động cơ không đồng bộ. 17
III.1. Các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ. 17
III.1.1. Phương trình đặc tính cơ. 17 – 24
III.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của ĐCKĐB 24 – 25
III.2.1. Ảnh hưởng của điện áp nguồn cung cấp cho động cơ. 25 – 26
III.2.2. Ảnh hưởng của tần số lưới điện f
1
cấp cho động cơ. 26 – 27

II.2.1. Bảo vệ quá dòng cho van. 49 – 50
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 6
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
II.2.2. Bảo vệ quá áp cho van. 51 – 52
II.2.3. Bảo vệ quá nhiệt cho van. 52 – 54
II.2.4. Chọn thiết bị đóng cắt. 54 – 55
III. Tính toán các đặc tính. 55
III.1. Đặc tính tự nhiên. 55 – 59
III.2. Tính toán điện áp lúc đầu đặt lên động cơ. 59 – 62
III.3. Tính toán góc mở α ứng với các trường hợp. 62 – 64
III.4. Các thông số điều khiển. 64 – 66
PHẦN I
KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I. Cấu tạo và đặt điểm của động cơ không đồng bộ:
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 7
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
I.1. Cấu tạo:
Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính: phần tĩnh và phần quay.

1 2

3 4
5

6
Trong đó:
1) Quạt làm mát 2) Hộp đấu dây 3) Võ máy
4) Stato 5) Chân đế lắp cố định 6) Rôto
Hình1-1: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn.
I.1.1: Cấu tạo phần tĩnh ( stato ):

I.1.2.3. Dây quấn rôto:
Gồm hai loại: loại rôto dây quấn và loại rôto ngắn mạch ( còn gọi là rôto
lồng sóc )
* Loại rôto kiểu dây quấn:
Dây quấn rôto giống dây quấn ở stato và có số cực bằng số cực stato. Các
động cơ công suất trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu song hai lớp để
giảm được những đầu nối dây và kết cấu dây quấn rôto chặc chẽ hơn. Các động
cơ công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn rôto thường
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 9
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
nối sao ( Y ). Ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rôto
và được cách điện với trục nhờ 3 chổi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc, dây quấn
rôto được nối với 3 biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ.
* Loại rôto kiểu lồng sóc:
Loại dây quấn này khác với dây quấn stato, mỗi rãnh của lõi sắt được đặt
một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng
ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành 1 cái lồng người ta gọi là lồng sóc. Hình 1-3: Dây quấn của rôto kiểu lồng sóc
Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép, rãnh rôto có
thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dung cho
máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy. Với động cơ công suất nhỏ
rãnh rôto thường đi chéo một góc so tâm trục.
I.1.2.4. Khe hở:
Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2mm ÷ 1mm). Do đó rôto
là một khối tròn nên rôto rất đều.
I.2. Đặc điểm của động cơ không đồng bộ:
Cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc
Vận hành tin cậy, chắc chắn, giá thành hạ

Tần số định mức f
đm
(hz)
I.4. Cách đấu dây của động cơ:
Tuỳ theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây stato theo hình Y hay hình ∆.
Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha. Khi thiết kế người ta đã quy
định điện áp định mức cho mỗi dây quấn .Động cơ làm việc phải đúng với điện
áp quy định ấy. Để thuận tiện cho việc đấu động cơ, người ta ký hiệu 6 đầu dây
của ba dây cuốn động cơ AX, BY, CZ và đưa 6 đầu dây nối ra 6 bu lông ( 1….6 )
ở hộp dây trên vỏ động cơ.
Cách đấu 6 đầu dây như thế nào để điện áp vào động cơ luôn là định mức.
- Động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 220V
( U
P
= 220V ), trên nhãn động cơ ghi là ∆ /Υ 220V/380V .
Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có U
d
= 380V, thì động cơ phải đấu
theo hình sao (Y). Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạo
thành điểm trung tính. Ba điểm đầu nối với nguồn.
Cách đấu như hình vẽ:
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 11
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor

Hình 1-4. Hộp đấu dây quấn stato hình sao
Trong cách nối hình Y
I
d
= I
p

p

Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là 220v
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 12
A B C
X Y Z Hộp đấu dây
Nguồn
A
B C
X YZ
Hộp đấu dây
Nguồn
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
I.5. Vai trò của động cơ không đồng bộ:
Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động
cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu quả cao, giá thành hạ nên
động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh
tế quốc dân với công suất từ vài chục đến vài nghìn KW . Trong công nghiệp
thường dùng động cơ không đồng bộ là bộ phận động lực cho máy cán thép vừa
và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ, vv…
Trong hầm mỏ dùng làm máy tưới hay quạt gió. Trong công nghiệp dùng để làm
máy bơm hay máy gia công nông sản.
Tuy vậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm sau: đó là cos
ϕ
của máy thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng
của máy điện không đồng bộ có phần bị hạn chế.
II. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ:
Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong dây quấn có
các dòng điện. Hệ thống dòng điện này tạo ra từ trường quay với tốc độ:


n
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
H.1-6: Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB.
Tốc độ rôto n được gọi là tốc độ làm việc và luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ
trường n
1
. Vì nếu tốc độ quay của rôto bằng tốc độ của từ trường có thể xem cuộn
dây của rôto và từ trường đứng yên nên không xãy ra hiện tượng cảm ứng điện từ
trên cuộn dây rôto. Vì vậy chỉ trong trường hợp tốc độ quay của rôto nhỏ hơn tốc
độ quay của từ trường mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây quấn rôto.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt
1
1
n
nn
s
−
=
( 1- 2 )
Trong đó:
s : hệ số trượt
n
1
: tốc độ quay
n : tốc độ quay của rôto
Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ có trị số nằm trong khoãng từ 0 ÷ 1
Khi s = 0 : tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường ở chế độ không tải lý tưởng
Khi s = 1 : rôto đứng yên ( n = 0) mômen trên trục bằng mômen mở máy
Khi động cơ quay ở tải định mức, có hệ số trượt định mức tương ứng có tốc
độ quay của rôto đinh mức. Hệ số trượt định mức nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,06

=
( )
s
rad
( 1 – 5 )
1
ω
: tốc độ gốc của từ tường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ
Khi đó công suất điện đưa vào
P
1
=
3
.U.I.Cos
ϕ
( 1 – 6 )
Ngoài thành phần công suất điện từ có tổn hao trên điện trở dây quấn stato.
2
1
2
1
3 IRP
dt
=∆
( 1 – 7 )
Tổn hao sắt từ:
PP
st
∆=∆
( 1 – 8 )

2
’
: điện trở quy đổi của rôto
I
2
’
: dòng điện quy đổi của rôto
m
2
= 3 : số pha của dây quấn rôto
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 15
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
Vì P
2
’
< P
dt
do đó n < n
1
Công suất cơ của P
2
đưa ra nhỏ hơn P
2
’
vì tổn thất trên trục động cơ và các
tổn thất phụ khác:
Do vậy:
fc
PPPP
∆−∆−=

độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bảo
hòa nên điện kháng X
1
, X
2
không đổi.
Tổng dẫn mạch từ không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào
tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato động cơ.
Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.
Với giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ:
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 16
I
1
X
1
R
1
X
’
2
'
2
R
s
X
μ
R
μ
U

δδµ
XXX
: điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng
tản rôto dả quy đổi về stato.
s : hệ số trượt của động cơ.
1
1
ω
ωω
−
=
s
( 1 – 15 )
( )
s
rad
n
60
.2
π
ω
=
: tốc độ góc động cơ.
p
f
1
1
.2
π
ω






+
+
+
=
2
2
'
2
1
22
11
11
nm
f
X
s
R
R
XR
UI
µµ
( 1 – 16 )
δ
δ
2

UI
f
=








+
=
22
11
1
( 1 – 17 )
Trong đó:
I
1nm
: dòng điện ngắn mạch stato
I
µ
: là dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay khi động cơ
quay với tốc độ đồng bộ.
Ta cũng tính được dòng điện rôto quay quy đổi về stato.
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 18
ω
F
S

U
I
+








+
=
( 1 – 18 )
Đây là phương trình đặc tính dòng điện của động cơ không đồng bộ, được
biểu diễn hình.1 – 8.
Hình 1 – 8: Đặc tính dòng điện rôto của động cơ KĐB
Khi
0,
1
==
s
ωω
thì
0
'
2
=I
Khi
1,0

( 1 – 20 )
Trong đó:
M
đt
: là mômen điện từ của động cơ.
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: M
đt
= M
cơ
= M ( 1 – 21 )
Công suất đó chia thành hai phần:
P
cơ
: công suất đưa ra trên trục động cơ.
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 19
ω
S
'
2
I
'
2nm
I
1
ω
0
1
R
f
= 0

2
= M(
ωω
−
1
) = M.
1
ω
.s ( 1 – 24 )
Mặc khác
∆
P
2
= 3.
2
'
2
I
.
'
2
R
( 1 – 25 )
Nên
1
'
2
'
2
3

=
2
2
'
2
11
'
2
'
1

3
2
nm
f
X
s
R
Rs
RU
M
ω
( 1 – 27 )
Trong đó:
X
nm
= X
1
+ X
2

thĐ
S =1
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
Với những giá trị khác nhau của s ( 0 ≤ s ≤ 1 ) sẽ cho ta những gía trị tương
ứng của M. Đường biểu diễn M = f(s) là đường đặc tính cơ của động cơ điện
không đồng bộ.
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K, tại điểm đó:
0
=
ds
dM
( 1 – 28 )
Giải phương trình ở tử số với S ta được:
22
1
'
2
nm
th
XR
R
S
+
±=
( 1 – 29 )
Thay phương trình ( 1 – 29 ) vào phương trình ( 1 – 27 ) ta được:
)(2
.3
22
111

s
saM
M
.
.12
++
+
=
( 1 – 31 )
Trong đó:
2
1
R
R
a =
( 1 – 32 )
Đối với những động cơ công suất lớn thường R
1
rất nhỏ so với X
nm
, lúc này
có thể bỏ qua R
1
, nghĩa là coi R
1
= 0, as
th
= 0 và (1 – 31 ) có dạng gần đúng:
s
s

2
1
2
.3
ω
±=
( 1 – 35 )
Nhiều trường hợp cho phép ta sử dụng những đặc tính gần đúng bằng cách
tuyến tính hoá các đặc tính trong đoạn làm việc. Vì dụ ở vùng độ trượt nhỏ s ≤ s
th
tỷ số
th
s
s
nhỏ, gần đúng coi
0
=
th
s
s
. Lúc này đặc tính cơ ở dạng đơn giản:
s
s
M
M
th
th
.
2
=

Với đặc tính tuyến tính hoá đường 1 ( H. 1-9)
1
1
2
ωω
−=
∆
∆
=
∆
∆
s
s
M
s
M
th
th
Vậy
th
th
s
M
1
2
ω
β
−=
( 1 – 39 )
Tương tự với đặc tính 2 trên H 1- 10:

=
( 1 – 41 )
Và
2
1
2
s
sM
thth
ω
β
=
( 1 – 42 )
Trong đoạn này độ cứng
β
là dương và giá trị của nó biến đổi. Động cơ
không đồng bộ không làm việc trên đoạn đặc tính này.
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ được biểu diễn ở H.1- 9.
H.1-11: Đặc tính cơ của động cơ KĐB
Đoạn đặc tính cơ AK gần thẳng và cứng, trên đoạn này mômen tăng thì tốc
độ động cơ giảm. Do đó động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ làm việc ổn
định.
III.2: Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ của động cơ KĐB:
Từ phương trình đặc tính cơ (1 – 27) của động cơ không đồng bộ, ta thấy các
thông số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm.
- Điện áp lưới U
f1
.
- Tần số lưới điện cung cấp cho động cơ f
1

0
S
th
th
ω
Đồ án môn học Thiết kế bộ khởi động cho ĐCKDB ba pha bằng Thyristor
Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại lượng:
- Tốc độ đồng bộ:
p
f
1
1
.2
π
ω
=
- Độ trượt tới hạn:
22
1
'
2
nm
th
XR
R
s
+
±=
- Mômen tới hạn:
(

2
giảm
Trong khi đó tốc độ đồng bộ: ω
1
=
P
f
1
.
2
π
= const. Và độ trượt
không thay đổi. Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp này.
Hình 1-12: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
khi giảm điện áp cấp cho động cơ.
SVTH:Hà Anh Tuấn Trang 24
ω
1
ω
M
S
M
nm3
TN
M
nm2
U
1
M
C1

f
1
.
2
π
, ta thay đổi tần số f
1
làm cho tốc
độ từ trường quay thay đổi → tỗc độ động cơ thay đổi theo .
Khi f
1
> f
1đm
ta có : ↓ S
th
=
( )
↑
≈
+
f
LL
P
f
R
1
'
21
1
'

f
U
2
1
'
21
2
2
1
1
2
1
2
8
π
Thực tế khi f
1
tăng để đảm bảo đủ M
mm
cho động cơ và tốc độ làm việc của
động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép .
ω
max
bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ .

Khi f
1
< f
1đm
tức là khi f