Bài giảng Máy điện - Chương 9: Khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ - Phạm Khánh Tùng

PHẦN 3 – MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 
CHƯƠNG 9 
KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH 
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Phương trình cân bằng mômen trong quá trình khởi động: 
Trong đó: M - Mômen điện từ của động cơ f1(ω); MC - Mômen cản 
của tải: f2(ω); J - Mômen quán tính. 
Ta thấy: + Tăng tốc độ thuận lợi khi dω/dt > 0 → M > MC 
 + (M - MC) càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh. 
 + Máy có quán tính lớn thì thời gian khởi động tk lớn. 
1. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 
dt
d
JMM c

CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Dòng điện khởi động Ik: 
 (khi khởi động ω = 0 , s = 1) 
 Thông thường: Ik = (4 ÷ 7)Iđm ứng với điện áp Uđm . 
Mômen khởi động Mk: 
2'
211
2'
211
1
k
)xCx()rCr(
U
I
2'
211
2'
211
'
2
2
1
1
i
k
)xCx()rCr(
rUm
M
 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Yêu cầu khi khởi động động cơ : 
• Mômen khởi động Mk phải lớn để thích ứng với đặc tính tải. 
• Dòng khởi động Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến 
các phụ tải khác. 
• Thời gian khởi động tk cần nhỏ để máy có thể làm việc được 
ngay. 
• Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng. 
Những yêu cầu trên là trái ngược nhau, vì thế tùy theo yêu cầu sử 
dụng và công suất của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi 
động thích hợp. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.1. Khởi động trực tiếp 
Đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới, động cơ quay. 
Ưu điểm: 
+ Thiết bị khởi động đơn giản. 
+ Mômen khởi động Mk lớn, 
+ Thời gian khởi động tk nhỏ 
Nhược điểm: 
+ Dòng khởi động Ik lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác. 
+ Phương pháp này dùng cho những động cơ công suất nhỏ và công 
suất của nguồn lớn hơn nhiều lần công suất động cơ. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2. Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stato 
Các phương pháp sau đây nhằm mục đích giảm dòng điện khởi động. 
Nhưng khi giảm điện áp thì mômen khởi động cũng giảm theo. 
+ Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stato 
+ Khởi động dùng mba tự ngẫu 
+ Khởi động bằng cách đổi nối Y → Δ 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2.1. Dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào 
mạch stato 
Sơ đồ: Các cầu dao CD1 và CD2, cuộn điện 
kháng CK. 
Nguyên lý hoạt động: 
+ Khi khởi động: CD2 mở, CD1 đóng, stato 
nối vào lưới điện qua điện kháng CK. 
+ Khi động cơ quay ổn định: đóng CD2, ngắn 
mạch điện kháng CK, stato nối trực tiếp vào 
lưới. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2.1. Dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào 
mạch stato 
Các thông số khởi động 
Điện áp đặt vào dây quấn stato: 
 (hệ số k < 1) 
Dòng điện khởi động: 
(Ik – dòng khởi động trực tiếp với điện áp U1) 
Mô men khởi động: 
1
'
1 U.kU 
k
'
k I.kI 
k
2'
k M.kM 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2.2. Khởi động dùng mba tự ngẫu 
Sơ đồ: Các cầu dao CD1, CD2, CD3, biến 
áp tự ngẫu TN. 
Nguyên lý hoạt động: 
Khi khởi động: cắt CD2, đóng CD3, MBA 
TN để ở vị trí điện áp đặt vào động cơ 
khoảng (0.6÷0,8)Uđm, đóng CD1 để nối 
stato vào lưới điện thông qua MBA TN. 
Khi động cơ quay ổn định: cắt CD3, đóng 
CD2 để ngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp 
dây quấn stato vào lưới. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2.2. Khởi động dùng mba tự ngẫu 
Thông số khởi động: 
Điện áp trên stato 
 (hệ số kT < 1) 
Dòng điện khởi động 
Dòng điện mba nhận từ lưới 
Mô men khởi động 
1Tk U.kU 
kT
'
k I.kI 
k
2
T
'
kT1 I.kIkI 
k
2
T
'
k M.kM 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2.3. Khởi động bằng cách đổi nối 
Y → Δ 
Sơ đồ: Các cầu dao CD1, CD2, cầu 
dao đảo chiều CD 
Phương pháp này chỉ dùng cho động 
cơ lúc máy làm việc bình thường nối 
Δ, khi khởi động nối Y, sau khi tốc độ 
quay gần ổn định chuyển về nối Δ để 
làm việc. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2.3. Khởi động bằng cách đổi nối Y → Δ 
Điện áp pha khi khởi động: 
Dòng điện khởi động nối Y: 
Dòng điện khi khởi động trực tiếp: 
Vậy: 
Mô men khởi động giảm đi 3 lần 
3/UU k
'
kf 
3/III kf
'
kfkY 
3II kfk 
3
3/I
3I
I
I
kf
kf
kY
k 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
1.2. Khởi động bằng cách thêm Rp vào mạch rôto dây quấn 
Phương pháp nầy chỉ dùng cho những động cơ rôto dây quấn vì đặc 
điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở phụ vào mạch rôto. 
Khi điện trở rôto thay đổi thì đặc tính M = f(s) cũng thay đổi theo. 
Điều chỉnh điện trở mạch rôto thích đáng thì Mk = Mmax . 
Khi rôto quay để giữ một mômen điện từ nhất định trong quá trình khởi 
động ta cắt dần điện trở nối thêm vào mạch rôto làm cho quá trình tăng 
tốc động cơ từ đặc tính nầy sang đặc tính khác và sau khi cắt toàn bộ 
điện trở thì sẽ tăng tốc đến điểm làm việc của đặc tính cơ tự nhiên. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Sơ đồ và các đặc tính cơ khi khởi động 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp khởi động: 
+ Ưu điểm: 
 Mô men khởi động Mk lớn 
 Dòng điện khởi động Ik nhỏ. 
+ Nhược điểm: 
 Chỉ áp dụng được với động cơ KĐB rô to dây quấn 
Động cơ rôto dây quấn chế tạo phức tạp hơn rôto lồng sóc nên giá 
thành đắt hơn, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũng thấp hơn. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 
Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ 
điện một chiều. Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên 
việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không gặp nhiều khó 
khăn với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh và 
năng lượng tiêu thụ. 
Phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện : 
+ Trên stato : Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stato, thay đổi số 
đôi cực từ p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện. 
+ Trên rôto : Thay đổi điện trở rôto, nối cấp hoặc đưa sđđ phụ vào rôto. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách 
thay đổi điện áp 
Hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc 
vào điện áp. 
Nếu r’2 không đổi thì khi giảm điện áp 
nguồn U1, hệ số trượt tới hạn sm sẽ 
không đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với bình 
phương diện áp. 
Họ đặc tính cơ cho thấy tốc độ thay đổi 
khi thay đổi điện áp. 
Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy 
không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Thay đổi điện áp nguồn có thể áp dụng 
những cách sau: 
Biến áp xoay chiều 
Phân áp bằng điện kháng 
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 
Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ 
giữa điện áp U1, tần số f1 và mômen M. 
Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r1 : 
Với C – hệ số 
Khi thay đổi tần số đặc tính cơ thay đổi 
Họ đặc tính cơ với U1 = const 
2
1
2
1
max
f
U
CM 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 
Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số: 
Rectifier – chỉnh lưu (AC → DC) 
Inverter – Nghịch lưu (DC → AC) 
f – control – điều khiển tần số 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f1’, căn cứ vào điều 
kiện năng lực quá tải không đổi: 
Do đó: 
Trong thực tế ứng dụng, thường yêu cầu mômen không đổi: 
2'
1
2
1
2
1
2'
1max
'
'
max
fU
fU
M
M
M
M
M
M
f
f
U
U '
1
'
1
1
'
1 
1
'
1
1
'
1
f
f
U
U
 const
f
U
1
1 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mômen tỉ lệ 
nghịch với tần số: 
Do đó: 
Khi thay đổi tần số f1, phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ. 
Trường hợp U1/f = const và tần số giảm có đặc tính cơ trên đồ thị, 
cách điều chỉnh này có các đặc tính thích hợp với loại tải cần 
MC = const khi vận tốc thay đổi. 
'
1
1
1
'
1
f
f
M
M
1
'
1
1
'
1
f
f
U
U
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Thay đổi điện trở dây quấn rôto, 
bằng cách mắc thêm biến trở 
ba pha vào mạch rôto của động 
cơ rôto dây quấn. 
Do biến trở điều chỉnh phải làm 
việc lâu dài nên có kích thước 
lớn hơn biến trở khởi động. 
2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rôto 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Họ đặc tính cơ của ĐK rôto dây quấn khi dùng biến trở điều chỉnh 
tốc độ. 
Đặc điểm điều chỉnh: 
Khi tăng điện trở, tốc độ quay 
của động cơ giảm. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Biến trở làm việc theo nguyên tắc “băm xung” 
Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch 
Phương pháp nầy gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động 
cơ giảm. 
Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh 
liên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong 
các động cơ công suất cở trung bình. 
T
1
tt
1
f
21
 .R
T
t
R
tt
t
RR 1
21
1
C
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Năng lượng trên rô to với tần số f2 = sf1 lẽ ra tiêu hao trên điện 
trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng một chiều, sau đó qua 
bộ nghịch lưu được biến đổi thành năng lượng xoay chiều tần số 
f trả về nguồn. 
2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Động cơ KĐB có đặc tính tốt thỏa mãn các yêu cầu: 
 + Khởi động: Mômen MK lớn, dòng điện IK nhỏ. 
 + Làm việc bình thường: Hiệu suất của động cơ cao. 
Động cơ rôto dây quấn có thể đáp ứng được các yêu cầu khi 
thay đổi điện trở phụ mạch rô to, còn động cơ rôto lồng sóc 
không thế điều chỉnh được mạch rôto. 
3. ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG MẶT NGOÀI 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Đặc điểm của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh thường : 
+ Ưu điểm: Chế tạo đơn giản; Làm việc chắc chắn; Đặc tính làm việc 
tốt 
+ Nhược điểm: Dòng khởi động IK lớn; Mômen khởi động MK nhỏ 
Giải pháp: 
Nếu dùng vật liệu để chế tạo thanh dẫn sao cho R2 lớn → MK lớn và 
hiệu suất η giảm. 
Khắc phục : 
+ Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu 
+ Động cơ không đồng bộ rôto 2 lồng sóc. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.1. Động cơ Rôto rãnh sâu 
Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc rãnh sâu lợi dụng hiện tượng từ 
thông tản trong rãnh rôto gây nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài khi 
khởi động làm điện trở rôto R2 tăng lên để cải thiện đặc tính khởi 
động. 
3.1.1. Cấu tạo rãnh rôto 
 Rãnh của rô to có 
+ Chiều cao h = 40 ÷ 60 mm 
+ Tỉ số h/b =10 ÷ 12 lần 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Khi tốc độ đạt định mức s = sđm, điện 
trở R2(1), dòng điện phân bố đều 
(đường 1); 
Khi khởi động s = 1, điện trở R2(2) , 
dòng tập trung trên miệng rãnh 
(đường 2). 
Đường 3 biểu diễn đặc tính cơ thực 
tế của động cơ rôto rãnh sâu khi hệ 
số trượt s thay đổi từ 1÷ sđm, khi đó 
điện trở R2(2) giảm đần về R2(1). 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.1.2. Nguyên lý 
+ Khi khởi động : 
Tốc độ rôto n = 0, 
Hệ số trượt s = 1; f2 = sf1 = f1, 
từ thông tản tại thời điểm này 
tập trung ở đáy rãnh, càng lên trên miệng rãnh từ thông càng ít đi do 
đó điện kháng tản ở đáy rãnh lớn, và phía miệng rãnh nhỏ vì vậy dòng 
điện tập trung lên phía trên miệng rãnh. 
Kết quả của việc tập trung dòng điện lên phía trên miệng rãnh được 
coi như tiết diện của dây dẫn bị nhỏ đi điện trở rôto tăng lên làm MK 
tăng lên. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.1.2. Nguyên lý 
+ Khi tốc độ tăng: 
Tần số rôto f2 giảm, hiệu ứng 
mặt ngoài giảm đi và dòng điện 
dần dần phân bố đều lại và R2 
được coi như nhỏ lại và khi máy 
làm việc bình thường f2 = (2 ÷ 3) Hz , hiệu ứng mặt ngoài lúc nầy hầu 
như không có, đặc tính làm việc giống như động cơ bình thường. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.1.3. Mạch điện thay thế 
+ Điện trở của rôto : 
Điện trở và điện kháng của rôto khi xét hiệu ứng mặt ngoài: 
trong đó : 
 r - ký hiệu nhỏ chỉ rãnh rôto. 
 v - ký hiệu nhỏ chỉ vành ngắn mạch. 
 kr - hệ số tăng điện trở do hiệu ứng mặt ngoài. 
 kx - hệ số giảm điện kháng tản do hiệu ứng mặt ngoài. 
'
v2
'
r2r
'
2 rrkr 
'
v2
'
r2x
'
2 xxkx 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Hệ số kr và kx phụ thuộc chiều cao qui đổi ξ : 
trong đó : s - hệ số trượt; hr - chiều cao rãnh; ρ, ρCu - điện trở suất vật 
liệu làm thanh dẫn và đồng. 
+ Mạch điện thay thế của rôto rãnh sâu: 
Cu
r sh
 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Bội số dòng và bội số mômen ở điện áp định mức: 
Hiệu suất của động cơ rãnh sâu không khác rãnh thường là bao, chỉ 
có cosφ hơi thấp vì điện kháng tản rôto rãnh sâu lớn hơn loại rãnh 
thường, do đó mômen cực đại Mmax cũng nhỏ hơn. 
Phạm vi công suất loại động cơ này vào khoảng 50÷200kW. 
4,11
M
M
65,4
I
I
đm
max
đm
k
 
 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.2. Động cơ Rôto hai lồng sóc 
3.2.1. Cấu tạo rãnh rôto 
Rãnh rôto chế tạo gồm hai lồng sóc : 
+ Lồng sóc ngoài : dùng để mở máy, chế tạo với tiết diện S nhỏ, vật 
liệu có điện trở suất ρ lớn, để có điện trở khởi động R2kđ lớn. 
+ Lồng sóc trong : gọi là lồng sóc làm việc, chế tạo với tiết diện S lớn, 
vật liệu có điện trở suất ρ nhỏ, để có điện trở làm việc R2lv nhỏ . 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.2.2. Nguyên lý 
Khi mở máy thì f2 = f1, do 
hiệu ứng mặt ngoài nên 
dòng điện tập trung ở lồng 
sóc ngoài, mà R2 ngoài lại 
lớn nữa nên MK lớn. 
Khi làm việc bình thường, tấn số f2 nhỏ mà R2 trong cũng nhỏ nữa 
nên dòng điện lớn và mômen chủ yếu do lồng sóc nầy tạo ra. 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
3.2.3. Mạch điện thay thế 
Dòng điện: 
Điện kháng tản: x’2kđ do từ thông tản Φt.kđ ứng với dòng I’2đk 
 x’2lv do từ thông tản Φt.lv ứng với dòng I’2lv 
 x’ 2kv do từ thông tản Φt.kv ứng với dòng I’2kv 
'
lv2
'
kđ2
'
2 III
 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Bội số dòng và bội số mômen ở điện áp định mức: 
Điện kháng tản rôto lớn nên cosφ thấp. So với loại rôto rãnh sâu thì 
động cơ điện loại này dùng nhiều kim loại màu hơn, nhưng có thể thiết 
kế đặc tính mở máy linh hoạt hơn. 
Phạm vi công suất loại động cơ này vào khoảng 30÷1250kW 
22,1
M
M
64
I
I
đm
max
đm
k
 
 
CHƯƠNG 9: KHỞI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 
Đặc tính M = f(s) của các 
loại động cơ điện: 
Loại thường (đường 1) 
Động cơ điện rãnh sâu 
(đường 2) 
Động cơ điện rôto lồng sóc 
kép (đường 3)