đồ án điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

 Đồ án Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha Sinh viên thực hiện: Trần Duy Cường Lớp : CK-ĐTĐ 11 1 Nghành đào tạo : Công nghệ tự động Tên đề tài : Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha Ngày nhận đề : 7-10-2010 Ngày nộp đồ án : 27-11-2010 Nhiệm vụ của đề tài: - Các phương pháp điều chỉnh tốc độ - Lựa chọn phương án mạch lực và mạch điều khiển - Tính các phần tử mạch lực và mạch điều khiển. Kết quả cần đạt được: Bản thuyết minh đồ án môn học Ngày tháng năm 2010 Khoa điện - điện tử Nguyễn Đức Hỗ Bộ môn kt điều khiển Phạm Văn Chính Giáo viên hướng dẫn ThS.Phạm Thị Hoa Lời nói đầu 2 Việc tỡm ra và phỏt triển nguồn năng lượng điện có thể nói là một sự kiện vĩ đại nhất của con người, mà cũng chính nhờ sự kiện vĩ đại đó mà đó khiến cho thế giới thay đổi hoàn toàn: thế giới chuyển từ hỡnh thức lao động giản đơn lên thời kỳ đại công nghiệp, sức lao động được giải phóng, năng suất lao đông tăng cao… con người dần làm chủ thế giới. Và một trong những công cụ đắc lực nhất giúp đạt được những gỡ như ngày hôm nay đó chính là máy móc. Kể từ khi máy móc được phát minh ra thỡ ngay lập tức nú đó được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống từ những cỗ máy công suất nhỏ chỉ vài mmW tới hàng nghỡn W,đặc biệt là trong công nghiệp thỡ nú là tất cả. Nền cụng nghiệp càng phỏt triển thỡ kốm theo đó điều kiện cần là máy công nghiệp cũng phải hiên đại hơn. Và những đặc điểm về các mặt như tốc độ quay, độ tổn hao, công suất… của các máy này cũng ngày càng được quan tâm hơn theo hướng điều chỉnh sao cho phù hợp với yêu cầu sản xuất và mang tính đồng bộ hóa cao. Trong cuốn đồ án này em đó tập trung đi sâu vào lĩnh vực điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha với các nội dung chủ yếu sau: các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, và từ đó sẽ chọn ra một phương ỏn hiệu quả nhất cho việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện xoay chiều 3 pha ro to lồng súc. Nam Định, ngày 30, thang11, năm 2010 Sinh Viờn Trần Duy Cường ( Lưu ý: đây là bản chớnh ,phần mạch tương đối hoàn chỉnh, phần lý thuyết thỡ cũn thiếu, muốn đầy đủ và chi tiết hơn thỡ tham khảo:đồ án tốt nghiệp của Vũ Quang Trinh- ĐH Giao thông vận tải Hà Nội Nếu chỗ nào phụng chữ bị lỗi thỡ cỏc bạn chuyển về phụng .VNTime Chỳc cỏc bạn thanh cụng ! YM !: chandoiditu_1990 3 Stato Rotor Dây quấn stato Chương I Các phương pháp điều chỉnh tốc độ I Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Động cơ không đồng bộ I.1 Cấu tạo: gồm 2 phần a) Stato: là phần tĩnh của động cơ bao gồm lõi thép (ghép từ các lá thép kĩ thuật điện) có răng để chứa dây quấn. Stato được gắn vào bệ động cơ với nắp có ổ trục định vị cho rôto (hình 1). b) Rotor: gồm lõi thép (mạch từ) hình trụ các rãnh đặt dây quấn. Lõi thép có trục quay định tâm để gắn vào ổ trục trên stato. - Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) có dây quấn dạng lồng sóc là các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm đặt trong các rãnh rotor, hai đầu các thanh dẫn nối tắt với nhau bằng vòng ngắn mạch. - Rotor dây quấn (rotor pha) có ba đầu dây ra của dây quấn được nối với ba vòng đồng ở đầu rotor, tiếp xúc với ba chổi than ở stato để dẫn ra ngoài. Hình 1.1: Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ 4 I.2 Nguyên lý làm việc Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E 2 sẽ sinh ra dòng điện I 2 chạy trong dây quấn. Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay phải. n 1 M Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía trên rôto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía dưới rôto hướng từ ngoài vào trong. Dòng điện I 2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n 1 . Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện I 2 và mômen M. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ. Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt: 1 1 n nn S − = (1.1) Trong đó: n tốc độ quay của roto 1 f tần số dòng điện lưới P số đôi cực n 1 tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ đồng bộ của động cơ) P f n 1 1 60 = (1.2) 5 Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n 1 thay đổi làm cho n thay đổi. Khi mở máy thì n = 0 và S = 1 gọi là độ trượt của máy. Dòng điện trong dây cuốn và từ trường quay tác dụng tương hỗ nên nhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịu tác dụng của mômen M theo chiều ngược lại. Muốn cho từ trường quay với tốc độ n 1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ. 60 2 1 1 n MMP đt π ω == (1.3) Khi đó công suất điện đưa vào: ϕ cos3 1 UIP = (1.4) Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên dây quấn điện trở stato. 2 1 2 11 3 IrP d =∆ (1.5) Tổn hao sắt: PP st ∆=∆ (1.6) stđtđt PPPP ∆−∆−= 1 Công suất cơ ở trục là: 60 2 ' 2 n MMP π ω == (1.7) Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn rôto: 22 dđt PPP ∆−= (1.8) Trong đó: 2222 rImP d =∆ (1.9) m 2 số pha của dây cuốn rôto Vì đt PP < ' 2 do đó n < n 1 Công suất cơ của P 2 đưa ra nhỏ hơn ' 2 P vì còn tổn hao do ma sát trên trục động cơ và tổn hao phụ khác: fco PPPP ∆−∆== ' 22 (1.10) Hiệu suất của động cơ: )9.08.0( 1 2 ÷== P P η (1.11) 6 II Các đại lượng cơ bản của động cơ không đồng bộ II.1 Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và tốc độ của từ trường quay stato n 1 Ta có: Hay tính theo phần trăm: Xét về mặt lý thuyết giá trị S sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 ÷ 100% Trong đó: p f n 1 1 60 = (1.14) )1( 1 snn −= (1.15) II.2 Sức điện động của mạch rôto lúc đứng yên m WfKE Φ= 220220 44,4 (1.16) Trong đó: m φ trị số cực đại của từ thông trong mạch từ K 2 là hệ số dây quấn rôto của động cơ 20 f tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì rôto đứng yên nên: 60 1 20 Pn f = (1.17) 20 f bằng với tần số dòng điện đưa vào 1 f II.3 Sức điện động khi roto quay: Tần số trong dây quấn rôto là: Vậy 12 sff s = Sức điện động trên dây quấn rôto lúc đó là: 7 1 1 n nn s − = o o o o n nn S 100 1 1 − = 6060 )( 1 1 11 2 pn n nnpnn f Xs − = − = (1-13) (1-18) (1-19) (1-20) (1.12) Với 12 . fsf s = thế vào (1.19), ta được: II.4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ: Phương trình đặc tính cơ: ( )       ++       + = ' 21 2 1 ' 21 xx s r rw .r3U M (1) Biểu thức (1) là phương trình đặc tính cơ, biểu diễn quan hệ m = f(n). Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho d m /d s = 0. Ta có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn m t gọi là hệ số trượt tới hạn: S th = ' 2 2 ' 2 2 1 2 ( ) r r x x+ + (2) Do đó ta có biểu thức mômen tới hạn: M th = ( ) 2 1 2 2 1 1 1 3 . 2 . n pU w r r x+ + (3) Ta có dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ như sau: - Từ (1)(2)&(3) có: ε = ' 2 2 2 1 n r r x + (4) M = ( ) 2 1 2 th th th M s s s s ε ε + + + (5) 8 mKWfE ss Φ= 2222 44,4 SKWfE ms Φ= 2212 44,4 (1-21) - Đối với động cơ rôto lồng sóc có công suất lớn thì r 1 <<x n nên bỏ qua r 1 và ε = 0 → M = 2 th th th M s s s s + (6) Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ II.5 Ưu nhược điểm của động cơ không đồng bộ a Ưu điểm - Trong công nghiệp hiện nay phần lớn đều sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha. Vì nó tiện lợi hơn, với cấu tạo mẫu mã đơn giản, giá thành hạ so với động cơ điện một chiều. - Ngoài ra động cơ điện không đồng bộ ba pha dùng trực tiếp với lưới điện xoay chiều ba pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi . Vận hành tin cậy, giảm chi phí vận hành bảo trì sửa chữa. Theo cấu tạo người ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc. b Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm động cơ không đồng bộ ba pha cũng có các nhược điểm sau: - Dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với rôto khi điện áp lưới giảm. - Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ. - Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp. 9 III Các phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ: III.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato thực hiện bằng bộ biến đổi tần số. Ta có: Phương trình điện áp dây quấn stato . U 1 = . I 1 1 Z - 1 E Trong đó: 1 Z = R 1 + JX 1 là tổng trở dây quấn stato - R 1 Là điện trở dây quấn stato - X 1 = 2 π fL 1 là điện kháng tản dây quấn stato đặc trưng cho từ thông tản stato - f. Tần số dòng điện stato - L 1 . Điện cảm tản stato - E 1 Sức điện động pha stato do từ thông của từ trường quay sinh ra có trị số là: E 1 = 4,44 fw 1 kdq 1 φ max (1) - w 1 , kdq 1 Thứ tự là số vòng dây quấn và hệ số dây quấn của một pha stato - Hệ số dây quấn kdq 1 < 1, nói nên sự giảm sức điện động của dây quấn do quấn rải rác trên rãnh và bước rút ngắn. - max φ Biên độ từ thông của trường quay 10 [...]... thấy phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số có những ưu điểm hơn cả Từ những ưu điểm đó ở đồ án này em dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số làm phương án để điều điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 17 Chương II Lựa chọn phương án mạch lực và mạch điều khiển I Phương án mạch lực Sơ đồ mạch lực: Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu Đ C I.1 Bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu có chức... đổi điện áp được dùng chủ yếu với các động cơ công suất nhỏ có hệ số trượt S th lớn III.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rôto Thay đổi điện trở mạch rôto, bằng cách mắc biến trở ba pha vào mạch rôto Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn so với biến trở mở máy Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khi có biến trở điều chỉnh tốc độ. .. tính của động cơ không đồng bộ Từ phương trình: (1) Ta có φ max tỉ lệ thuận với tỉ số U1 Khi thay đổi tần số người ta mong f muốn giữ cho φ max không đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số điện áp U 1 và điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi f, tần số f không đổi Việc điều chỉnh tốc độ quay bằng thay đổi tần số thích hợp khi điều chỉnh cả... khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm 16 Nếu mômen cản không đổi, dòng rôto không đổi, khi tăng điện trở để giảm tốc độ, sẽ tăng tổn hao công suất trong biến trở, do đó phương pháp này không kinh tế Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng, được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ công suất cỡ trung bình Từ những phương pháp điều chỉnh trên... việc giảm điện áp Khi giảm điện áp đường đặc tính M = f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi Hệ số trượt S 1 , S 2 , S 3 ứng với điện áp U 1 đm, 0.85U 1 đm, 0,7U đm 1 MC Nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng điện áp là giảm khả năng quá tải của động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao ở dây quấn rôto: ∆Pđt = sPđt = sMw1 Việc điều chỉnh tốc độ bằng... chỉnh cả nhóm động cơ lồng sóc Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số cho phép điều chỉnh tốc độ một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng III.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đối số đôi cực Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp Để thay đổi số đôi cực P ta thay đổi cách đấu dây và cũng là cách thay đổi chiều dòng điện đi trong... động cơ điều khiển đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau, gọi là máy đa tốc Ta có công thức tính tốc độ của từ trường quay như sau: n= và n= n(1-S) Theo như công thức trên ta thấy rừ ràng một điều rằng khi số đôi cực (p)thay đổi thỡ kộo theo đó thỡ tốc độ động cơ (n) cũng thay đổi theo Và từ đây ta cũng có được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. .. ngược Để động cơ quay ngược: ta cho xung kích mở theo thứ tự : T6, T5, T4, T3, T2, T1 30 II Phương án mạch điều khiển Sơ đồ mạch điều khiển: Phát xung điều khiển Bộ so sánh Khuếch đại xung Mạch điều khiển * Khâu phát xung: IC555, R 1 , R 2 , C 1 * Bộ so sánh ( khuếch đậi thuật toán): OA, R 3 , R 4 , R 5 * Khâu khuếch đại xung: R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , C 2 , C 3 , C 4 , Q Chức năng của bộ điều khiển:... - 30 0 (He) 30 0 - 36 0 (Hf) Trên pha B: Trên pha C: D1 D2 D3 D4 D5 D6 U fA = U U= U U= U U= - U U= - U U= - U Bảng chuyển trạng thái của Diode: 0 1 0 0 0 0 0 60 0 1 0 0 0 0 120 0 0 1 0 0 0 180 0 0 0 1 0 0 240 0 0 0 0 1 0 30 0 0 0 0 0 0 1 I.4 Giản đồ xung khi điều khiển I.4.1 .Động cơ chạy thuận: Để cho động cơ quay thuận: ta cho xung kích mở các TZT theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6 28 29 I.4.2 .Động cơ. .. tổn thất phụ không đáng kể Động cơ làm viêc chắc chắn Việc điều chỉnh khá đơn giản +Nhược điểm: kích thước động cơ lớn Dải điều chỉnh không rộng Giỏ thanh cao Hiệu suất sử dụng dõy quấn thấp + Ứng dụng: phương pháp này thường được dùng trong các máy như máy mài vạn năng, thang máy nhiều tầng, máy nâng trong hầm mỏ, bơm ly tâm, quạt thông gió… 15 III .3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung . Đồ án Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha Sinh viên thực hiện: Trần Duy Cường Lớp : CK-ĐTĐ 11 1 Nghành đào tạo : Công nghệ tự động Tên đề tài : Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không. cấu tạo người ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc. b Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm động cơ không đồng bộ ba pha cũng có các nhược. ở đồ án này em dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số làm phương án để điều điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. 17 Chương II Lựa chọn phương án mạch lực và mạch điều