Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống khởi động mềm - động cơ không đồng bộ ba pha

49 
T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 49, 01-2015, tr.49-53 
CƠ - ĐIỆN MỎ (TRANG 49-53) 
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM - 
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 
NGUYỄN THẠC KHÁNH, NGUYỄN TRƯỜNG GIANG 
Trường Đại học Mỏ - Địa chất 
Tóm tắt: Động cơ không đồng bộ ba pha là một trong những loại động cơ điện phổ biến 
nhất trong công nghiệp. Tuy nhiên, khởi động trực tiếp động cơ lồng sóc công suất lớn có 
thể gặp một số khó khăn và làm ảnh hưởng đến các tải khác trong cùng lưới điện vì sự giảm 
điện áp nguồn khi khởi động đặc biệt là trong trường hợp nguồn có công suất nhỏ. 
Trong bài báo này trình bày nghiên cứu về bộ khởi động mềm động cơ không đồng 
bộ ba pha, trong đó bao gồm phân tích nguyên lý làm việc và thiết kế các khối chính trên cơ 
sở phần mềm Matlab. Quá trình mô phỏng cho phép điều chỉnh hợp lý các thông số của bộ 
khởi động mềm nhằm giảm dòng khởi động của động cơ. Kết quả mô phỏng cho thấy rất 
nhiều ưu điểm khi sử dụng khởi động mềm để khởi động động cơ so với khởi động trực tiếp. 
1. Mở đầu 
Động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng 
sóc (ĐC) với những ưu điểm nổi bật như cấu 
tạo đơn giản, gọn nhẹ, làm việc tin cậy, hiệu 
suất và tuổi thọ cao, giá thành rẻ và được sản 
suất với số lượng lớn, được sử dụng rộng rãi 
nhất trong công nghiệp. Đối với những động cơ 
công suất lớn, nếu sử dụng phương pháp khởi 
động trực tiếp (KĐTT), dòng điện khởi động có 
thể đạt (5÷7)Idm làm ảnh hưởng tiêu cực đến 
lưới điện như giảm điện áp lưới, gây mất ổn 
định cho các thiết bị khác, thậm chí ảnh hưởng 
đến sự an toàn lưới điện. Hơn nữa, do dòng điện 
tỷ lệ với mô men điện từ, nên phương pháp 
KĐTT sẽ tạo ra mô men dạng xung (bước nhảy) 
làm giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí trong 
hệ thống truyền động. Chính vì vậy cần phải 
hạn chế KĐTT các ĐC công suất lớn. Trước 
đây để giảm dòng khởi động, một số phương 
pháp được dùng phổ biến bao gồm: nối tiếp 
điện trở hoặc điện cảm, chuyển đổi sao - tam 
giác, dùng biến áp tự ngẫu, v.v..., tuy nhiên đối 
với các động cơ công suất lớn thì các phương 
pháp nêu trên không khả thi. 
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của 
công nghệ điện tử công suất và công nghệ vi 
điện tử, các thiết bị khởi động mềm (KĐM) đã 
được quan tâm nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng 
rộng rãi trong công nghiệp nhằm giảm ảnh 
hưởng của quá trình khởi động đến lưới điện 
cũng như tăng tuổi thọ của hệ thống truyền động 
điện. Tùy theo tính chất và mức độ yêu cầu của 
tải, KĐM có thể tạo ra các đặc tính khởi động 
phù hợp với mỗi loại. Các KĐM phổ biến nhất là 
các sản phẩm sử dụng công nghệ điều chỉnh điện 
áp xoay chiều (điều áp) bằng thyristor được bắt 
đầu ứng dụng từ những năm 1970 [2]. Cho đến 
nay việc nghiên cứu cải tiến, nâng cao hiệu năng 
của KĐM vẫn đang tiếp tục được thực hiện [3]. 
Hiện nay xu hướng chung trên thế giới khi 
nghiên cứu về điều khiển máy điện là đi từ 
nghiên cứu lý thuyết đến xây dựng mô hình mô 
phỏng và cuối cùng là thực nghiệm. Trong trình 
tự trên, bước thứ hai có nhiệm vụ khảo sát, điều 
chỉnh các thông số của mô hình nhằm tìm ra mô 
hình có thông số tối ưu, từ đó cho phép rút ngắn 
đáng kể thời gian, đồng thời giảm chi phí trong 
quá trình thực nghiệm. Bài báo này trình bày 
trình bày cơ sở lý thuyết của mạch điều điều 
khiển điện áp (điều áp) xoay chiều (phần 2), từ 
đó đi xây dựng mô hình mô phỏng cho thiết bị 
KĐM khởi động cơ không đồng bộ ba pha. Kết 
quả mô phỏng hệ thống KĐM-ĐC cho thấy mô 
hình có thể khảo sát được tất cả các tham số 
chính của hệ thống. 
2. Mạch điều áp dùng thyristor 
Mạch điều áp có rất nhiều dạng, trong đó 
mạch điện phổ biến nhất là sơ đồ dùng cặp 
50 
thyristor nối song song ngược như trong ví dụ 
được phân tích sau đây dùng điều áp xoay chiều 
một pha. 
2.1. Điều áp một pha 
Mạch điều áp một pha cơ bản được trình 
bày trong hình 1a. Trong nửa chu kỳ dương của 
điện áp nguồn u, tại thời điểm t=α (α được gọi 
là góc mở), xung điều khiển được cấp đến cực 
G1 làm cho thyristor T1 dẫn và điện áp nguồn 
được cấp đến tải cho đến khi u=0 (t=π, đồng 
thời T1 khóa). Trong nửa chu kỳ tiếp theo của u, 
tương tự nửa chu kỳ trước, khi t≥α+π thyristor 
T2 dẫn và tiếp tục cấp nguồn cho tải cho đến hết 
chu kỳ. Quá trình được lặp lại trong các chu kỳ 
tiếp theo, kết quả là điện áp trên điện trở uT có 
dạng chu kỳ không sin như trong Hình 1b. Bằng 
cách điều chỉnh góc mở α ta có thể điều chỉnh 
được điện áp (hoặc dòng điện) trên tải. 
Khi tải có tính chất điện cảm (R-L nối tiếp), 
quá trình chuyển mạch của các thyristor không 
chỉ phụ thuộc vào góc mở α mà còn phụ thuộc 
vào góc pha của tải =arctg(L/R). Theo đó, 
góc mở tối thiểu cho tải R-L nối tiếp là αmin= 
[1, 4]. Kết quả mô phỏng trong hình 2c, d cho 
thấy khi α= thì các van dẫn hoàn toàn và điện 
áp trên tải bằng điện áp nguồn. 
2.2. Điều áp ba pha 
Trong trường hợp tải ba pha nối sao có 
trung tính thì điện áp mỗi pha được điều khiển 
độc lập tương tự tải một pha, điều đó có nghĩa 
là góc mở α có thể được điều chỉnh từ αmin= 
đến 180o (xem hình 2c). Trong trường hợp tải 
ba pha nối sao không trung tính, tùy thuộc vào 
góc pha (t) của điện áp nguồn mà điện áp trên 
tải được cung cấp bởi điện áp pha hoặc điện áp 
dây, do đó góc mở α chỉ có thể điều chỉnh được 
từ αmin= đến 150o (xem hình 2d). 
u tZ
1T
2T
tu
1.2 1.205 1.21 1.215 1.22
-1
0
1
Thoi gian [s]
D
ie
n
 a
p
[p
.u
.]
)b)a
u
tu

Đ
iệ
n
 á
p
 [
p
.u
.]
Thời gian [ ]
1,2 , 1,21 , 1,22
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều áp 1 pha a) và dạng điện áp trên tải thuần trở b) 
0 50 100 150
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Goc mo  [deg]
D
ie
n
 a
p
 t
re
n
 t
a
i 
 [
p
.u
.]
0 50 100 150
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Goc mo  [deg]
D
ie
n
 a
p
 t
re
n
 t
a
i 
[p
.u
.]
o0
o90
o45
o75
o0
o90
o45
o75
)c )d
Ae
Be
Ce
AZ
BZ
CZ
Ae
Be
Ce
AZ
BZ
CZ
)a )b
1T
3T
5T
4T
6T
2T
1T
3T
5T
4T
6T
2T
Đ
iệ
n
 á
p
 [
p
.u
.]
Đ
iệ
n
 á
p
 [
p
.u
.]
óc ở α [độ]Góc mở α [độ]
,
,
1,0
,
,
,
,
1,0
,
,
Hình 2. Điện áp ra trên tải R L nối tiếp trong các trường hợp góc pha tải khác nhau 
a, c) Tải ba pha nối sao có trung tính; b, d) Tải ba pha nối sao không trung tính 
51 
3. Hệ thống khởi động mềm động cơ không 
đồng bộ ba pha rô to lồng sóc 
Bộ khởi động mềm ĐC (hình 3a) là một 
ứng dụng của bộ điều áp ba pha (hình 2b), trong 
đó ĐC tương đương với tải R L có tổng trở 
Z z φ  được tính theo sơ đồ thay thế tương 
đương [5]: 
' 2 ' 2
1 2 1 2( / ) ( )z R R s X X    
và,    ' '1 2 1 2a / /rctg X X R R s      , (1) 
trong đó: R1, X1 và R’2, X’2 là điện trở và điện 
kháng của stator và rotor quy đổi; 0 1s   là 
hệ số trượt của động cơ. 
Từ công thức (1) ta thấy tổng trở tương 
đương của động cơ là hàm số của hệ số trượt s . 
Khi bắt đầu khởi động ( 1s  ) tổng trở sẽ rất 
nhỏ và có góc pha φ lớn và ngược lại khi ĐC 
làm việc ở chế độ định mức ( 0s  ) tổng trở sẽ 
lớn với cos 0.85φ  , khi đó o30φ  . 
Hình 3b giới thiệu sơ đồ khối chức năng 
của bộ KĐM động cơ không đồng bộ ba pha. 
Trong sơ đồ này, khối đồng bộ có nhiệm vụ 
cung 
cung cấp các xung đồng bộ (tín hiệu qua không 
- zero crossing) của điện áp các pha; khối đo 
lường có nhiệm vụ đo dòng điện và điện áp trên 
cực động cơ cung cấp cho khối điều khiển và 
bảo vệ. Ở chế độ bình thường thì khối điều 
khiển sẽ cho phép bộ tạo xung hoạt động, điều 
khiển góc mở  theo luật định trước (góc  
giảm dần hoặc điện áp tăng dần). Khi gặp các 
sự cố ngoài mong muốn như kẹt rô-to khi khởi 
động, khối điều khiển sẽ ra lệnh dừng phát 
xung, đưa điện áp về không nhằm đảm bảo an 
toàn cho các thyristor và động cơ. 
Ở chế độ khởi động, dòng điện và mô men 
khởi động của ĐC được hạn chế bằng cách 
giảm điện áp ra của bộ khởi động mềm (KĐM). 
Trình tự các xung điều khiển cho 6 thyristor của 
KĐM lần lượt là T1-T2-T3-T4-T5-T6 được 
điều khiển theo quy luật như trong hình 4. 
Ngoài ra, lý thuyết đã chứng minh, với tải ba 
pha nối sao không trung tính khi góc mở  lớn 
yêu cầu thời gian tồn tại chùm xung ( xungt ) tối 
thiểu là 60o điện thì mới có dòng đi qua các cặp 
thiristor cung cấp cho tải [1, 4]. 
a) b) 
Hình 3. Hệ thống khởi động mềm động cơ không đồng bộ 
a) Sơ đồ nguyên lý mạch lực; b) Sơ đồ khối mạch điều khiển 
0.5 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51 0.512 0.514 0.516 0.518 0.52
-500
0
500
D
ie
n 
ap
[V
]
0.5 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51 0.512 0.514 0.516 0.518 0.52
1
2
3
4
5
6
7
X
un
g 
T
1-
T6
0.5 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51 0.512 0.514 0.516 0.518 0.52
-1000
-500
0
500
1000
D
ie
n 
ap
 u
K
K
 [
V
]
Thoi gian [s]
1T
2T
3T
4T
5T
6T

5T
xungt
, , , , 0, , 0, 0, 0,5 0,5 0, 
Hình 4. Các xung điều khiển thyristor ( o80  ) 
4. Mô phỏng hệ thống KĐM-ĐC 
4.1. Xây dựng mô hình mô phỏng bộ khởi động 
mềm 
Từ sơ đồ khối hình 3b, sử dụng các thư viện 
công cụ (Toolbox) của phần mềm 
Matlab/Simulink, mô hình mô phỏng đầy đủ hệ 
thống KĐM-ĐC được chỉ ra trong hình 5a. 
Trong đó ba khối nguồn ba pha, thyristor và 
động cơ sử dụng trực tiếp các phần tử có sẵn 
trong thư viện, với các thông số được khai báo 
phù hợp với mục đích nghiên cứu. Khối đồng bộ 
và tạo xung điều khiển bao gồm 6 bộ tạo xung (6 
kênh) điều khiển các thyristor từ T1 đến T6; chi 
tiết bộ tạo xung điều khiển cho thyristor T1 
(kênh 1) được trình bày trong hình 4b. Mỗi kênh 
điều khiển được lấy tín hiệu đồng bộ từ điện áp 
A
1T
4T
3T
6T
5T
2T
B
C
Nguồn 3 pha
Thyristor
Đồng pha
Tạo xung điều khiển
Điều khiển
và Bảo vệ Đo lường ĐC
)a )
ĐC
52 
pha cần điều khiển, thông qua khối rò điểm 
không (zero crossing) để tính thời gian phát 
xung. Góc mở α của thyristor được đưa vào qua 
đầu vào alpha trong hình 5b, giá trị α sau khi 
quy đổi về thời gian (T_alpha) được so sánh với 
thời gian tính từ thời điểm qua không của điện áp 
nguồn (RAMP), khi tín hiệu RAMP > T_alpha 
thì xung đầu ra được kích hoạt (Start_Pulse), 
xung này là một xung vuông và kéo dài đến hết 
mỗi nửa chu kỳ. Thời gian tồn tại xung xungt 
được khai báo từ đầu vào P_width, tín hiệu 
P_width được so sánh với bộ tạo hàm răng cưa 
(1/s) được kích hoạt bởi Start_Pulse, đầu ra của 
bộ so sánh là một xung vuông thứ 2 
(Pulse_width) bắt đầu từ sườn dương của 
Start_Pulse và có thời gian tồn tại bằng P_width. 
Hai bộ tạo hàm răng cưa được thực hiện bằng hai 
khâu tích phân (1/s) kích hoạt có điều kiện với 
tín hiệu vào là giá trị tần số định mức (f_N). 
Trong thực tế, để giảm công suất tiêu tán trên 
cực điều khiển, một chùm xung cao tần thay vì 
một xung vuông được đưa đến cực điều khiển vì 
thế đầu vào của mỗi kênh còn có thêm một tính 
hiệu xung cao tần (f_H). Để triệt tiêu xung điều 
khiển, đầu vào của mỗi kênh còn có một tín hiệu 
khóa xung điều khiển (Block). Các tính hiệu 
Start_Pulse, Pulse_width, f_H và Block được 
đưa tới khối 'và logic' (AND), kết quả là khi làm 
việc bình thường, đầu ra của khối tạo xung điều 
khiển sẽ là 6 chùm xung có dạng như trên hình 4. 
Khối thyristorKhối nguồn ba pha
Động cơ KĐB
3kW – 690V
50Hz – 1400 v/ph
Khối đồng bộ
và tạo xung điều khiển
6 kênh 
a) 
Góc mở α
Tần số định mức
Thời gian tồn tại xung
Xung cao tần
Khóa xung điều khiển
b) 
Hình 5. Mô hình mô phỏng hệ thống KĐM-ĐC 
a) Mô hình các khối chức năng chính; b) Mô hình bộ phát xung của 1/6 kênh 
4.2. Kết quả mô phỏng 
Để tiến hành mô phỏng, trong nghiên cứu này sử dụng ĐC có các thông số như sau làm dữ liệu 
đầu vào: mã hiệu Indukta Sg 100L-4B-M, công suất 3kW, tốc độ 1400v/ph, điện áp 400/690V, 
dòng điện pha 4A, điện trở rotor 6,372 , điện trở stator 7,073 , điện cảm rotor 0,0312H, điện 
cảm stator 0,0312H, hỗ cảm 0,5978H. Hệ thống truyền động KĐM-ĐC được mô phỏng với tải là 
bơm ly tâm có đặc tính mô men tỷ lệ với tốc độ quay. Kết quả so sánh hai phương pháp khởi động 
trực tiếp (KĐTT) và KĐM cho bơm ly tâm được cho trong hình 6. Từ kết quả mô phỏng ta thấy rõ 
ràng khi dùng KĐM thì dòng điện (hình 6b) và mô men (hình 6d) không có sự tăng đột biến, đặc 
biệt là mô men điện từ luôn bám sát đường mô men tải, điều đó chứng tỏ hệ thống khởi động rất êm 
dịu cả về điện lẫn cơ khí. 
53 
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
0.5
1
 [
p
.u
.]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
5
 [
p
.u
.]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
2
4
 [
p
.u
.]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
0.5
1
 [
p
.u
.]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
50
100
Thoi gian [s]

[d
e
g
]
Điện áp
Dòng điện
Mô men
Tốc độ
Góc mở
)a
)b
)c
)d
)e
TM
, ,, 1,0, ,01,2 , ,
, ,, 1,0, ,01,2 , ,
, ,, 1,0, ,01,2 , ,
, ,, 1,0, ,01,2 , ,
, ,, 1,0, ,01,2 , ,
Thời gian [s]
α
 [
đ
ộ
]
Hình 6. Kết quả mô phỏng khởi động máy bơm (các đường nét đứt màu đỏ tương ứng với quá trình 
KĐTT, các đường xanh nét liền ứng với quá trình KĐM) 
5. Kết luận 
Nội dung của bài báo trình bày mô hình của 
bộ khởi động mềm sử dụng phần mềm 
Matlab/Simulink. Kết quả nghiên cứu cho thấy, 
mô hình đã thành lập cho phép thay đổi các 
thông số đầu vào như góc mở α , độ rộng xung, 
tần số điện lưới, tần số xung cao tần... Từ đó, 
mô hình có thể dùng để nghiên cứu các bộ điều 
áp xoay chiều ba pha với tải tĩnh (hình 2) và tải 
động (hình 3). Quá trình khởi động động cơ với 
tải là bơm ly tâm trong hai trường hợp khởi 
động trực tiếp và khởi động mềm đã được 
nghiên cứu trên cơ sở mô hình thành lập được. 
Quá trình mô phỏng khởi động mềm động cơ 
cho phép các tác giả có thể điều chỉnh và lựa 
chọn các thông số để có thể đạt được quá trình 
khởi động hệ thống một cách êm dịu nhất. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Phạm Quốc Hải, 2009. Hướng dẫn thiết kế 
điện tử công suất: Khoa học và Kỹ thuật. 
[2]. J.M.D. Murphy and F.G. Turnbull, 1988. Power 
Electronic Control of Ac Motors: Pergamon. 
[3]. Robert E. Eisenbrown, 2008. AC Drives, 
Historical and Future Perspective of Innovation 
and Growth," presented at the 25th Anniversary 
of The Wisconsin Electric Machines and Power 
Electronics Consortium University of 
Wisconsin, Madison, WI, USA. 
[4]. B.W. Williams, 1992. Power Electronics: 
Devices, Drivers, Applications, and Passive 
Components: McGraw-Hill. 
[5]. A.E. Fitzgerald, Jr. Charles Kingsley, and 
Stephen D. Umans, 1992. Electric Machinery, 
in SI Unit 5th ed.: McGraw-Hill. 
SUMMARY 
Modeling and simulation of three phase induction motor soft starter 
Nguyen Thac Khanh, Nguyen Truong Giang, Hanoi University of Mining and Geology 
Three-phase induction motors are so common in industry that in many plants no other type of 
electric machine can be found. However, direct on line starting of large squirrel cage induction 
motors may present difficulties for the motor itself, and the loads supplied from the common 
coupling point because of the voltage dips in the supply during starting, especially in the case of a 
weak power system. This paper taking three phase induction motor soft starter for research object, 
such as principle analysis and design main modules based Matlab simulation software. Simulation 
of soft statarter helped us to reach right setting and modified values yielded the motor be started 
successfully without over-current. The simulation results indicated that soft starter was used in 
motor start advantages.