§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §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:
 Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ không đồng bộ ba pha.
 Lựa chọn và tính toán mạch động lực.
 Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển.
 Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng.
Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em
không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để
bản đồ án này hoàn thiện hơn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc
tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã
tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp quý
1


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo
những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong suốt thời
gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này.

Lời nói đầu ....................................... 1
………………………………………Chương I ...............................
Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha ................................ 5
A. mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ
không đồng bộ ba pha ............................... 5
I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha ..... 5

II. Mạch điện thay thế ............................ 7
III. .......... Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
9
B. các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ ........................................... 11
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách thay đổi tần số ..............................
12
1. Nguyên lý điều chỉnh ....................... 12
2. Các đặc tính điều chỉnh .................... 13
3. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng ..... 14
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách thay đổi số đôi cực ..........................
15
III. ... Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách thay đổi điện áp đặt vào stato ............. 16
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách điều chỉnh trở – kháng mạch stato ........ 16
a. Nguyên lý điều chỉnh ..................... 16
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng ... 17

2


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato
18
a. Nguyên lý điều chỉnh ..................... 18

b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng ... 19
IV. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto ...... 19
1. nguyên lý điều chỉnh ....................... 20
2. các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng ..... 21
V. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ bằng sơ đồ nối tầng .......................... 21
1. Nguyên lý điều chỉnh ....................... 21
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng ..... 23
……………………………………….Chương II ............................
Chọn và tính toán mạch động lực .................... 23
A. các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha
rôto dây quấn ..................................... 23
B. lựa chọn và tính toán mạch động lực ........... 25
I. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto ........... 26
II. Tính chọn điện trở phụ R ..................... 35
III. ................... Tính chọn các điốt chỉnh lưu D
39
IV. Tính chọn tiristor ........................... 43
V. Tính chọn cuộn kháng ......................... 44
1. Tính cuộn kháng lọc theo tác dụng thứ nhất . 44
2. Tính cuộn kháng theo tác dụng thứ hai ...... 46
VI. Tính chọn các phần tử khóa tiristor T ........ 48
1. Tính chọn tụ C ............................. 48
2. Tính chọn cuộn cảm L1 ...................... 49
3. Tính chọn điốt D0 .......................... 50
VII. .... Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
51
1. Sơ đồ động lực có các thiết bị bảo vệ ...... 51
2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn ....... 52

a. Thiết kế tỏa nhiệt cho các điốt D ........ 52
b. Thiết kế tỏa nhiệt cho các tiristor ...... 53
c. Thiết kế tỏa nhiệt cho các điốt D0 ........ 54
3. Bảo vệ quá dòng cho van .................... 55
…………………………………..Chương III .......................... 57
3


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Tính toán thiết kế mạch điều khiển ................. 57
A. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển ... 57
I. Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng
đứng ............................................ 57
1. Nguyên lý điều khiển ....................... 57
2. Sơ đồ khối mạch điều khiển ................. 59
II. Thiết kế mạch điều khiển bằng mạch số ........ 59
1. Nguyên lý điều khiển ....................... 60
2. Sơ đồ khối mạch điều khiển ................. 60
III. ............................................. Kết luận
61
B. Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng
đứng .............................................. 61
I. Các khâu cơ bản .............................. 61
1. Khâu tạo tần số ............................ 61
2. Khâu so sánh ............................... 72
3. Khâu khuếch đại ............................ 74
II. Tính toán các thông số của mạch điều khiển ... 77
1. Tính biến áp xung .......................... 79
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng ............. 82

3. Tính chọn tầng so sánh ..................... 84
4. Tính chọn khâu tạo tần số .................. 85
5. Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển ..... 86
……………………………………..Chương IV ............................
Hệ thống điều khiển hai mạch vòng .................. 90
A. Giới thiệu chung .............................. 90
B. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh điện trở rôto
91
I. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ................. 95
II. Tổng hợp mạch vòng tốc độ .................... 97
III. .... Tính toán các thiết bị trong sơ đồ tổng hợp
điện – cơ ....................................... 99
1. Bộ điều chỉnh dòng điện PI ................. 99
2. Bộ điều chỉnh tốc độ P .................... 100
3. Phần tử phản hồi dòng điện ................ 101
4. Phần tử phản hồi tốc độ ................... 102
……………………………………..Chương V .............................
Các đặc tính cơ ................................... 103
4


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Tài liệu tham khảo ................................ 105

Chương I

Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ ba pha
A. mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ không

đồng bộ ba pha
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.

5


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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, cos thấp, khống
chế các quá trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động
cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động tương đối xấu.
Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một
số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế.
Nói tóm lại, với những ưu điểm nổi bật của động cơ
không đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh

6


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
vực của cuộc sống ngày càng được phát triển và cải

tiến về mọi mặt.
II. Mạch điện thay thế
Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có
dây quấn m1 pha (thường m1 = 3), trên rôto có dây quấn
m2 pha (m2 = 3 đối với động cơ rôto dây quấn; còn đối
với động cơ rôto lồng sóc thì m2 > 3). Như vậy trong
động cơ không đồng bộ có hai mạch điện không nối với
nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm ứng từ.
Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có được hệ
phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto
quay như sau:
•

•

•

U1 = - E1 + I 1(r1 + jx 1 );
•

•

0 = E'2 - I '2 (
•

r'2
+ jx' 2 );
s

•


(I)

E'2 = E1;
•

•

•

I 1 + I '2 = I 0 ;
•

•

- E1 = I 0 Z m ;

Dựa vào các phương trình cơ bản trên, ta có thể
thiết lập được mạch điện thay thế hình T cho động cơ
không đồng bộ khi rôto quay như sau:

x 1 r1
I1
U1

x'2 r'2

xm
I0 rm


-I'2

r'2(1-s)/s

Hình 1. Mạch điện thay thế hình
T của động cơ không đồng bộ.

7


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến
đổi mạch điện thay thế hình T thành mạch điện thay thế
hình à đơn giản hơn:
C1x1 C1r1

C²1x'2

I1

C²1r'2/s

-I''2

x 1 r1 x m
I00 rm

U1


Hình 2. Mạch điện thay thế
hình à của động cơ không
đồng bộ.

Trong đó:

Z
C1  1  1 ;
Zm
•

•

I 00 =

U1

gọi là dòng điện không tải lý tưởng,

•

C1 Z m
nghĩa là dòng điện không tải ứng với lúc s = 0;
•

•

- I ' '2 =

- I '2


gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện

•

C1

hình Ã.
•

Thực tế, C1 chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại
•
x
rất nhỏ, nên có thể coi C1 = 1 + 1 = 1 .
xm
Như vậy:
•

•

(II)

I ' '2 = I '2 ;
•

•

•

•


•

•

I ' '00 = I 1- I ' '2 = I 1- I 2 = I 0 ;

Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản
hơn nữa:

x1

r1

I1
U1

r'2/s

x'2
-I'2

x1 r1 8xm
I0 r m


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

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 dòng điện rôto đã quy đổi về
stato I’2 là:
I '2 

Uf
r '2 2
2
( r1 
)  x nm
s

(1)

Trong đó:
Xnm = x1 + x’2

điện kháng ngắn mạch.

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ
điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất
điện từ chuyển từ stato sang rôto:
P12=Mđt.0
Trong đó: Mđt – mômen điện từ của động cơ
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ, ta ký
hiệu:
Mđt = Mcơ = M
Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa
ra trục động cơ Pcơ và công suất tổn hao trong rôto P2
nghĩa là:

P12= Pcơ+ P2
hay
M0 = M + P2
do đó
P2 = M (0 - ) = M0s
Mặt khác:
P2 = 3I ' 22 r' 2
nên

9


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

3I'22 r '2
M=
0s
Thay (1) vào phương trình trên ta có phương trình
đặc tính cơ:

3U 2f r' 2
r '2
2
0 [( r1 + ) 2 + x nm ]
s

M=

(2)


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




(s=sth)

0

Mth

M®m

M

Hình 4. Đặc tính cơ của động
cơ không đồng bộ.
Điểm cực trị của đặc tính cơ thường được gọi là
điểm tới hạn có tọa độ [Mth, sth]:

sth 
M th =

r '2
r1  (x1  x'2 )

2


3U f

2

2

20 ( r1 +



2

r '2
r1  x nm
2

2

r1 + x nm )

2

(3
)
(4
)

Ta có thể viết phương trình đặc tính cơ dưới dạng
khác thuận tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa (2) và
(4) rồi biến đổi ta được:


10


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

M=

Trong đó:

a=

2M th (1 + asth )
s sth
+
+ 2asth
sth s

r1
.
r2

Trong động cơ không đồng bộ thường r1  r’2 mà sth =
0,1  0,2 nên ta có thể coi asth  0 khi đó ta có dạng
biểu thức Klôx:

M

xnm


2M th
s sth

sth
s

Đối với các động cơ có công suất lớn thường r1 <<
nên ta có:

sth 

r' 2
x nm

(5)
2

M th =

3U f
20 x nm

B. các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ
Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có
tần số f1 thì ta có biểu thức của tốc độ:
 = 0 (1 – s)
(6)
Trong đó:

 tốc độ quay của rôto;
2f1
0 0 =
tốc độ không tải lý tưởng;
p
s

hệ số trượt của động cơ.

Do đó ta có:
11


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

=

2f1
(1 - s)
p

(7)

Từ phương trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ
động cơ không đồng bộ  ta có thể thực hiện bằng cách
thay đổi các thông số: tần số nguồn f1, 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 f1 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:
U1
f1
const

BiÕn
TÇn

§
Ub f b
var

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền
động điện có điều chỉnh tần số.
Máy điện được chế tạo để hoạt động ở tần số định
mức nên khi thay đổi tần số chế độ làm việc của máy
điện cũng bị thay đổi vì tần số có ảnh hưởng trực tiếp

đến từ thông của máy điện. Quan hệ này có thể được
12


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
phân tích nhờ phương trình cân bằng điện áp đối với
mạch stato của máy điện:
•

Trong đó:

•

•

•

E1 = c  f1 = U1- I 1 Z1

•

E 1 Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato;
•

 Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato;
c
Hằng số tỷ lệ;
•


f1

U1 Điện áp đặt vào stato động cơ;
Tần số dòng stato.

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato
ta có :
•
•

=

U1
cf1

Từ phương trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện
áp U1 (U1 = const), khi tăng tần số f1 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 (  M th / M c  const) 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

13


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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 Mc = const



f 12
f 1®m
f 11
0

- Khi Mc ≡

Mc

M th M


1




f 12
f 1®m
f 11
Mc
0

M

- Khi Mc ≡ 

2



f 12

Mc

f 1®m
f 11
0

M


Hình 6. Các đặc tính điều chỉnh khi điều
chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
tần số với các loại tải khác nhau.
3. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

14


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
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 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.
 Nhược điểm


Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng
nhiều linh kiện bán dẫn và mạch điều khiển

điện tử.

 Phạm vi ứng dụng
 Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có
nhiều ưu điểm, song phạm vi ứng dụng của nó
phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Do vậy,
trong thực tế biến tần thường được sử dụng
khi có nhiều động cơ cùng thay đổi tốc độ
theo một quy luật chung. Động cơ không đồng
bộ rôto dây quấn ít được sử dụng cùng với
biến tần do biến tần có thể điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc một
cách dễ dàng.
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi số đôi cực
Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng
bộ, tốc độ từ trường quay thay đổi và do đó tốc độ
động cơ rôto cũng biến đổi theo. Quan hệ đó thể hiện
trong biểu thức tốc độ sau:
15


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

2f1
(1 - s)
p
Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto
này có khả năng tự biến đổi số cực rôto theo stato. Do

đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi
nhịp nhàng với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ
rôto dây quấn, phương pháp này hiếm khi được sử dụng
vì khi thay đổi số cực stato ta đồng thời phải thay
đổi số cực rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức
tạp.
=

III. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi điện áp đặt vào stato
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách điều chỉnh trở – kháng mạch stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng
bộ:

M=

3U 2fr'2
r '2
2
0 [( r1 + )2 + x nm ]
s

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:
U




M c.cp

xf

§

xf2

0

xf1

®t.gh

M

Hình 7. Sơ đồ nguyên
16 lý và các đặc
tính điều chỉnh của động cơ không
đồng bộ khi dùng kháng trong mạch


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi


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 Mc nên hệ sẽ giảm tốc. Kết quả là động cơ sẽ
chuyển sang làm việc xác lập ở tốc độ thấp hơn tốc độ
cơ bản.
Từ phương trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm
cuộn kháng vào stato, khi đó điện kháng ngắn mạch xnm
tăng và do đó, độ trượt tới hạn sthvà mômen tới hạn
Mthđều giảm như trên hình 7.
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ bằng cách điều chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có
những ưu, nhược điểm sau:
 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.
 Nhược điểm
 Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để
(không điều chỉnh được tốc độ không tải lý
tưởng 0.
 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.


17


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
 Các chỉ tiêu năng lượng đều xấu, hiệu suất
giảm rất nhanh khi giảm tốc độ và hệ số công
suất cos 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 được
dùng trong thực tế.
2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp. người ta dùng bộ nguồn BĐ
có điện áp ra thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều
khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý hình 8.

U®k

BiÕn
§ æi
§ iÖn
¸p

§
Ub Var


Hình 8. Sơ đồ tổng quát của hệ truyền
động điện không đồng bộ có điều chỉnh
điện áp nguồn.
Khi thay đổi điện áp lưới, ví dụ khi giảm xuống
còn x lần (x < 1) điện áp định mức (U1 = xUđm) thì
mômen sẽ giảm xuống còn x2 lần M = x2Mđm. Nếu mômen tải
không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trượt tăng
lên.
Theo công thức về mômen M = cmI’2, trong đó cm là
hằng số, thì khi điện áp lưới U1 = xUđm, thì sức điện
động E và từ thông  cùng bằng x lần giá trị ban đầu và
I’2 tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trượt:
Pcu2 m1I ' 22 r' 2
s=
=
P®t
M 1

18


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x2 lần hệ số trượt cũ và
tốc độ động cơ điện ở điện áp U 1 = xU ®m sẽ là:

s
)
x2

Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới
hạn Mth sẽ thay đổi đổi tỷ lệ với bình phương điện áp,
còn độ trượt tới hạn sth thì giữ nguyên, nghĩa là:
M th.u = M th .U *b2
n = n1 (1 -

sth.u = sth.tn = const

Đặc tính điều chỉnh có dạng như sau:



®t.tn
U12

U11


(s=sgh)

0

M th.u

M th

M

Hình 9. Các đặc tính cơ khi
điều chỉnh điện áp stato, U12 >

U11.
b. Các ưu, nhược điểm và
phạm vi ứng dụng
 Ưu điểm
Phương pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và
cải thiện các đặc tính 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
19


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
1. Nguyên lý điều chỉnh
Khi thay đổi điện trở mạch rôto (bằng cách thay
đổi điện trở phụ Rf mắc vào rôto), dòng điện stato I1
và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến tốc
độ của động cơ cũng thay đổi. Sơ đồ nguyên lý và đặc
tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh bằng
phương pháp này như sau:
U





§

a
b



a'

Rf

0

Mc

M th

M

Hình 10. Sơ đồ nguyên lý và đặc
tính cơ của động cơ không đồng bộ
điều chỉnh bằng điện trở.
Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính
tự nhiên có tải là Mc và tốc độ là 1, điểm làm việc là
điểm a trên đồ thị hình 10. Để điều chỉnh tốc độ ta
đóng một điện trở Rf vào cả ba pha rôto, khi đó điện
trở mỗi pha rôto là R2 = r2 + Rf . Điện trở rôto tăng, từ
sơ đồ mạch điện thay thế hình  đơn giản hóa ta thấy

dòng điện stato I1 giảm đột biến và do đó mômen của
động cơ cũng giảm. Do quán tính của động cơ nên tốc độ
không thay đổi đột ngột. Điểm làm việc chuyển từ điểm
a đến điểm b. Tại thời điểm đó, M < Mc nên hệ giảm tốc.
Mặt khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trượt
tăng nên suất điện động cảm ứng trong rôto E2 tăng lên.
Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho
đến khi M = Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới 2 <
1. Trạng thái này ứng với điểm a’ trên đặc tính điều
chỉnh.
Từ phương trình (3) và (4):

sth 
M th =

r '2



r1  (x1  x'2 ) 20
2

2

3U f

r '2
r1  x nm
2


2

(3
)

2
2

2

(4


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Ta thấy, khi tăng điện trở rôto thì độ trượt
giới hạn sth tăng và mômen tới hạn Mth 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 Rf.

 Phạm vi ứng dụng
Từ các ưu, nhược điểm trên, đây là một
phương pháp được sử dụng rộng rãi, mặc dù
đây không phải là phương pháp kinh tế nhất.
Nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc
độ động cơ không đồng bộ rôto dây quấn.
Phương pháp này được sử dụng trong các hệ
thống có các động cơ không đồng bộ làm việc
ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại, và thích hợp
với các hệ thống yêu cầu tốc độ không cao
như cần trục, cầu trục…
V. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
bằng sơ đồ nối tầng
1. Nguyên lý điều chỉnh
Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong
các sơ đồ nối tầng được thực hiện bằng cách đưa vào
21


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
rôto của nó một sức điện động Ef. Sức điện động phụ này
có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với sức điện động
cảm ứng trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số
rôto. Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặc một
chiều như sơ đồ nguyên lý sau:

§
§
Ef 

Ef 

Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện
động phụ vào mạch rôto của động cơ không
đồng bộ để điều chỉnh tốc độ của nó trong
sơ đồ nối tầng.
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 Ps  M  0s. Khi đưa Ef vào, dòng điện
rôto khi đó
•

•

(8)
E2 - Ef
I2 =
Z
Ta giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc
xác lập trên đặc tính ứng với một giá trị Ef nào đó.
Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm, mômen điện từ của
động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen Mc, nên tốc độ
của động cơ giảm. Khi tốc độ giảm, độ trượt tăng làm
cho E2 = E2nms tăng lên. Kết quả là dòng điện rôto I2 và
mômen điện từ tăng lên. Cho đến khi mômen của thiết bị
nối tầng cân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc
kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ hơn trước.
•


Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không
tải lý tưởng 0lt. Khi Ef = 0 động cơ làm việc trên đặc
tính gần đặc tính tự nhiên.
22


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
 Ưu điểm
Chỉ tiêu năng lượng cao do tận dụng được
công suất trượt ở mạch rôto.
 Nhược điểm
Mạch điều khiển và mạch động lực phức tạp
dẫn đến chi phí vận hành và sửa chữa lớn.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống không
lớn lắm và mômen của động cơ giảm khi tốc độ
giảm xuống.
 Phạm vi ứng dụng
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

23


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Pđm = 7,5 KW; nđm = 695 v/ph; cosđm = 0,74; I1đm =
20,6 A; E20 = 254 V;
r1 = 1,04 ; x1 = 0,833 ; r2 = 0,462 ; x2 = 0,611;
Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của
động cơ Jđ/c = 0,837 Kgm2.
Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U1 =
380 V; tần số f1 = 50 Hz.
Hiệu suất của động cơ:
P®m
=
100%
3U 1I 1®m cos ®m
7,5.103

=
100% = 74,75%
3.380.20,6.0,74
Hệ số trượt của động cơ:
np
s= 160f1
695p
3000
Do số đôi cực p là số nguyên, với các giá trị:
s= 1-

p = 3  s = 0,305;
p = 4  s = 0,073;
p = 5  s = - 0,158;
Như vậy, ta thấy khi p = 4 và khi đó s = 0,073 là
hợp lý.
Sức điện động của rôto khi quay ở tốc độ định mức:

E2 = sE20
E2 = 0,073.254= 18,542V
Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình 3, trị số hiệu
dụng của dòng điện trong dây quấn rôto đã quy đổi về
stato:

I '2 =

Uf
r'
(r1 + 2 ) 2 + x 2nm
s

24

(*)


§å ¸n tèt nghiÖp
Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi
Tỷ số biến đổi điện áp:
ke =

E1 0,95U 1
=
E20
E20

ke =

0,95.380
= 1,42
254

Trong đó:
Ta lấy E1 = 0,95U1.
Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số
biến đổi dòng điện bằng tỷ số biến đổi điện áp:
k e = k i = 1,42

r1= 1,04 ;
r’2 = k.r2 = ke2.r2 = 1,422.0,462
r’2 = 0,932 ;

xnm = x1 + x’2 = x1 + ke2.x2 = 0,833 + 1,422.0,611
xnm = 2,065 ;
Uf = 220 V.
Thay các giá trị trên vào (*) ta có:

220
= 15,759A
0,932 2
2
(1,04 +
) + 2,065
0,073
Dòng điện định mức trong dây quấn rôto:
I '2 =

I 2 = k i .I ' 2
I 2 = 1,42.15,759= 22,377A
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 U1 = 380 V với tần
số f1 = 50 Hz và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách
điều chỉnh xung điện trở mạch rôto. Do vậy, động cơ
được mắc trực tiếp vào lưới điện ba pha có điện áp U1 =
380 V với tần số f1 = 50 Hz.
Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách điều chỉnh điện trở phụ mắc vào mạch rôto. Hệ
25