LỜI M Ở ĐẦU
Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trở
thành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế,
nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ.
Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay
đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ Tự động hóa
(TĐH) đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân
công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người
tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy Tự Động
Hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công
nghiệp.
Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm
một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải
công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều
chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một
chiều. Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất
như: Điôt, Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng
động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn.
Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha
điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const. Từ cơ sở lý
thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và
qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các
phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều


khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá
thành


thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian

CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
2.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ.
Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn. Điều này
làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm
chí có thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp
nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải
hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải
tăng lên dòng điện bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong
suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tăng tải hệ số công
suất cũng tăng. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện
trong động cơ không hoàn toàn sin. Điêu này cũng làm giảm chất lượng công suất
nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn hoặc đảo chiều động cơ. Độ
chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất
lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng, trước phương pháp
hãm cơ được dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy
nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như
quạt, máy bơm, ở những lọa tải này mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, công
suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ này phụ thuộc
váo tải có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động


cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào mà điều này không thể thực hiện
đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện
trong động cơ có chứa nhiều thành phần bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong

Các đặc tính điều chỉnh phải thỏa' mãn phương trình đặc tính cơ:
2M (1 + aS )

M= S
Sth'

Trong đó:

'

th

Sth'

+

S

'

+ 2aS th

R2
'

S th =

'

(2-1).

Mặc khác vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động tăng. Cảm ứng
trong rôto E2= s.E2nm tăng lên, do đó dòng điện và mômen của động cơ lại tăng lên
cho đến khi M=Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới ω2
=

') 2
2

X

2

r12

U21 33

M th ∆ =

2 R  R21 R2
0 1

'


nm 

(2-5).

2
+nm

(2-6).



2

1YY

+(X

1YY

3U

MthYY =
2ω
0YY

R


2

+X

'
2YY

)

=

2

3U 12

(2-9).

nm

2ω r ± r 2 + X 2 
0
1
nm
1


So sánh hai công thức (2-6) và (2-9) ta thấy:
2
MthYY
=
M th∆
3

(2-10)

Như vậy khi nối ∆ - YY thì tốc độ lý tưởng không tải tăng hai lần, sth giữ
nguyên, mômen tới hạn Mth giảm
Đặc tính cơ của nó có dạng:

1
.
3


Dạng đặc tính cơ của nó có dạng:

Hình 2-3: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho
phép khi đổi nối dây quấn stato Y- YY

(2-12).

(2-13).


Nhận xét:
• Ưu điểm của phương pháp thay đổi số đôi cực p là thiết bị đơn giản, giá
thành hạ, các đặc tính cơ đều cứng, khả năng điều chỉnh triệt để. Độ chính
xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể.
• Nhược điển lớn nhất của phương pháp này là có độ tinh kém (nhảy cấp), dải
điều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn nên động cơ đa tốc được
chế tạo với công suất dưới 20÷30 kW và được sử dụng trong một số máy cắt
kim loại và nâng bơm ly tâm và của quạt gió.
2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào
động cơ.
a)

Nguyên lý điều chỉnh

Để thay đổi điện áp người ta dùng bộ biến đổi có điện áp ra tùy theo tín hiệu
điều khiển đặt vào.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ


3U 2 r 2 + x2 )
(r +
1

1

n

Trong đó: Mtu: mômen tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh.
U2: điện áp ra của bộ biến đổi

Hình 2-5: Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điện trở
phụ trong mạch rôto.
Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ.
Khi dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trở
phụ vào mạch rôto như hình (2-4) thì khi đó:


Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U2=U1) thì ta được đặc tính mềm hơn
đặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh).


Nếu giá trị điện áp đặt vào stator khác với giá trị định mức thì mômen tới hạn
lúc điều chỉnh điện áp Mtu sẽ thay đổi theo tỷ lệ bình phương điện áp, còn độ trượt
tới hạn thì không đổi. nghĩa là:
Mtu = M tU 22
Sth =const
Khi xét đến tổng trở của bộ biến đổi thì việc xác định đặc tính giới hạn có
phức tạp. Khi đó ta xem điện trở rb và điện kháng xb của bộ biến đổi có giá trị cố
định không phụ thuộc vào điện áp U2. Lúc đó:


sth =

( r1b r ( x ) 2

bn

x

)2

Ta được phương trình đặc tính cơ: M = 2 M t (1 + σ )
st
r1 +
rb

Với σ =

( r1br ( x ) 2

s

bn

x

+

s


động cơ qua hai thyristor T1,T4.
Nếu T1 mở ở góc α =0 thì T1 sẽ dẫn cho đến thời điểm ν , do điện áp lưới
dương đặt vào Anot, và sau đó dẫn từ ν đến ν + 6 là nhờ năng lượng điện từ tích
trong dây quấn stator.
Tương tự thyristor T4 dẫn ở nữa chu kỳ âm và góc 6 phụ thuộc vào độ trượt s.
Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh ta bỏ qua điện trở của thyristor. Khi thyristor đang
dẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với những góc α khác nhau được vẽ trên hình
(2-9). Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điều
chỉnh có thể khác với độ trượt st.

Hình 2-9: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
dùng bộ điều khiển thyristor


* Nhận xét và ứng dụng:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng thyristor vì thực
hiện dễ dàng và tự động hóa. Xét về chỉ tiêu năng lượng tuy tổn thất trong bộ biến
đổi không đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất
phụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thường
dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt thông
gió, máy li tâm …
2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số:
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số
đôi cực theo công thức:
σ0 =

2ν f1
p

biểu thức:

•

•

•

E = K Φ1 f1 = U − IZ1

(2-19)

Từ công thức trên nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stator Z1 ta có E1≈U1 do đó:
Φ1 = K

U1
f1

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U 1/f1 không đổi. Trong
phương pháp U/f =const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định
mức. Cần lưu ý khi mômen tải tăng, dòng động cơ tăng làm sụt áp trên điện trở
stator dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do đó động cơ không hoàn
toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính mômen của động cơ như sau:
M =

2

'


R 2 ( X  X
' )2
12
2σ (R + 1
0
 1




Khi hoạt động ở định mức:
Mdm

3U
=

2

'

R /s

1dm

(2-22)

2

'






a=

(2-23)

1dm

X

)2 

'
1dm2 dm



f
f

1
dm

Với f1 là tần số làm việc của động cơ, fđm là tần số định mức.
Theo luật U/f =const:

Ta thu được:


U



R

2
1dm
'

'2

a.s





ωo  R 1 R 2 2
(
+
) + (X + X ' )2 
 a
1
2
a.s

M th =

3

so với giá trị (X1+ X 2' ) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi mômen tải lớn.
Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông mômen cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cấp thêm cho động cơ điện
một điện áp một chiều U0 để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 từ đó ta có
quan hệ sau:

U1=U0+Kf1

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U 1 cấp cho động cơ U=Uđm tại
f=fđm. Khi a>1 (f>fđm) điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó động
cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const.

Hình 2-10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và tần số
theo quy luật điều khiển U/f=const


Từ hình (2-10) ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn.
-

Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ
định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định
mức. Mômen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.

-

Có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục
tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức.
Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến mômen giảm. Ở vùng trên vận tốc cơ bản

3U

2

Mt =
2ν n1
n + Xck )
9, 55( X

Sth

Trong đó:

=

±r

1

'

2

Xn + X ck

U1 là điện áp pha của lưới đặt vào động
cơ Xck điện kháng của cuộn kháng bão
hòa.

(2-26).