Điều khiển tốc độ động cơ 3 pha lồng sóc bằng biến tần

LỜI NĨI ĐẦU Trong ngành cơng nghiệp, động điện không đồng đƣợc sử dụng phổ biến tính chất đơn giản tin cậy thiết kế chế tạo sử dụng Tuy nhiên sử dụng động không đồng sản xuất đặc biệt với động có cơng suất lớn ta cần ý tới trình khởi động động khởi động roto trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động momen khởi động lớn, khơng có biện pháp khởi động thích hợp không khởi động đƣợc động gây nguy hiểm cho thiết bị khác hệ thống điện Vấn đề khởi động động điện không đồng đƣợc nghiên cứu từ lâu với biện pháp hồn thiện để giảm dịng điện moment khởi động Đề tài tốt nghiệp: “Điều khiển tốc độ động pha lồng sóc biến tần” Đƣợc trình bày trình bày ba nội dung : Chƣơng 1: Tổng quan động không đồng ba pha phƣơng án điều chỉnh tốc độ động Chƣơng : Tìm hiểu chung biến tần Chƣơng : Kết nối biến tần LS IG5Avới động dị ba pha lồng sóc Cuối em xin chân thành cảm ơn giảng viên Th.S Nguyễn Đoàn Phong tận tình giúp đỡ em hồn thành đồ án Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực Bùi Đức Trọng CHƢƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC PHƢƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1 MỞ ĐẦU Loại máy điện quay đơn giản loại máy điện khơng đồng (dị bộ) Máy điện dị loại pha, hai pha ba pha, nhƣng phần lớn máy điện dị ba pha, có cơng suất từ vài W tới vài MW, có điện áp từ 100V đến 6000V Căn vào cách thực rotor, ngƣời ta phân biệt hai loại: loại có rotor ngắn mạch loại có rotor dây quấn Cuộn dây rotor dây quấn cuộn dây cách điện, thực theo nguyên lý cuộn dây dòng xoay chiều Cuôn dây rotor ngắn mạch gồm lồng nhôm đặt rãnh mạch từ rotor, cuộn dây ngắn mạch cuộn dây nhiều pha có số pha số rãnh Động rotor ngắn mạch có cấu tạo đơn giản rẻ tiền, máy điện rotor dây quấn đắt hơn, nặng nhƣng có tính động tốt hơn, tạo hệ thống khởi động điều chỉnh 1.2 CẤU TẠO Máy điện quay nói chung máy điện khơng đồng nói riêng gồm hai phần bản: phần quay (rotor) phần tĩnh (stato) Giữa phần tĩnh phần quay khe hở khơng khí stato roto cuộn dây Hình 1.1 Cấu tạo động khơng đồng 1.2.1 Cấu tạo stato Stato gồm phần bản: mạch từ mạch điện a Mạch từ: Mạch từ stato đƣợc ghép thép điện có chiều dày khoảng 0,30,5mm, đƣợc cách điện hai mặt để chống dịng Fuco Lá thép stato có dạng hình vành khăn, phía đƣợc đục rãnh Để giảm dao động từ thông, số rãnh stato rotor không đƣợc Mạch từ đƣợc đặt vỏ máy.Ở máy có cơng suất lớn, lõi thép đƣợc chia thành phần đƣợc ghép lại với thành hình trụ thép nhằm tăng khả làm mát mạch từ Vỏ máy đƣợc làm gang đúc hay gang thép, vỏ máy có đúc gân tản nhiệt Để tăng diện tích tản nhiệt Tùy theo yêu cầu mà vỏ máy có đế gắn vào bệ máy hay nhà vị trí làm việc Trên đỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện Ngồi vỏ máy cịn có nắp máy, lắp máy có giá đỡ ổ bi Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây b Mạch điện: Mạch điện cuộn dây máy điện trình bày phần 1.2.2 Cấu tạo rotor a Mạch từ: Giống nhƣ mạch từ stato, mạch từ rotor gồm thép điện kỹ thuật cách điện Rãnh rotor song song với trục nghiêng góc định nhằm giảm dao động từ thơng loại trừ số sóng bậc cao Các thép điện kỹ thuật đƣợc gắn với thành hình trụ, tâm thép mạch từ đƣợc đục lỗ để xuyên trục, rotor gắn trục Ở máy có cơng suất lớn rotor cịn đƣợc đục rãnh thơng gió dọc thân rotor b Mạch điện: Mạch điện rotor đƣợc chia thành hai loại: loại rotor lồng sóc loại rotor dây quấn Loại rotor lồng sóc (ngắn mạch): Mạch điện loại rotor đƣợc làm nhơm đồng thau Nếu làm nhơm đƣợc đúc trực tiếp rãnh rotor, hai đầu đƣợc đúc hai vịng ngắn mạch, cuộn dây hồn tồn ngắn mạch, gọi rotor ngắn mạch Nếu làm đồng đƣợc làm thành dẫn đặt vào rãnh, hai đầu đƣợc gắn với hai vòng ngắn mạch kim loại Bằng cách hình thành cho ta lồng loại rotor có tên rotor lồng sóc Loại rotor ngắn mạch thực cách điện dây dẫn lõi thép Loại rotor dây quấn: Mạch điện loại rotor thƣờng đƣợc làm đồng phải cách điện với mạch từ Cách thực cuộn dây giống nhƣ thực cuộn dây máy điện xoay chiều trình bày phần trƣớc Cuộn dây rơto dây quấn có số cặp cực pha cố định Với máy điện ba pha, ba đầu cuối đƣợc nối với máy điện, ba đầu cịn lại đƣợc dẫn ngồi gắn vào ba vành trƣợt đặt trục rơto, tiếp điểm nối với mạch 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Động làm việc dựa vào định luật luật điện từ F tác dụng lên dẫn có chiều dài l có dịng điện I nằm từ trƣờng có từ cảm B Chiều độ lớn lực F đƣợc xác định theo tích véc tơ F=i.l.B Đó định luật động biến đổi điện thành Khi động đƣợc cấp điện, dòng điện dây quấn stato sinh lõi sắt stato từ trƣờng quay với tốc độ đồng n1 (1-1) 60 f1 p (f1 tần số dòng điện lƣới đƣa vào, p số đôi cực máy) Khi từ trƣờng quét qua dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt lõi sắt roto cảm ứng dẫn sức điện động dịng điện Từ thơng dịng điện sinh hợp với từ thông stato tạo thành từ thông tổng khe hở Dòng điện dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở sinh mômen Tác dụng làm cho roto quay với vận tốc khơng đồng n (n < n 1) Để phạm vi tốc độ động ngƣời ta dùng hệ số trƣợt s, theo định nghĩa hệ số trƣợt bằng: s n -n hay s% n n -n 100 (1-2) n 1 Nhƣ bắt đầu mở máy n = nên s = 1, n n1 độ trƣợt s = 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.3.1 Đặt vấn đề Theo yêu cầu sản phẩm, động điện lúc làm việc thƣờng phải khởi động dừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất tải tình hình lƣới mà yêu cầu khởi động động điện khác Có yêu cầu mơmen khởi động dịng lớn, có cần hạn chế dịng điện khởi động có cần Những u cầu địi hỏi phải có tính khởi động thích ứng Trong nhiều trƣờng hợp phƣơng pháp khởi động hay chọn động có tính khởi động khơng thích đáng nên thƣờng gây nên cố khơng mong muốn Nói chung khởi động động cần xét đến để thích ứng với đặc tính tải - Phải có mơmen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính tải -Dịng điện khởi động nhỏ tốt -Phƣơng pháp khởi động thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắn -Tổn hao công suất trình khởi động thấp tốt Những yêu cầu thƣờng mâu thuẫn với nhau, yêu cầu dòng điện khởi động nhỏ thƣờng làm cho momen khởi động giảm theo cần thiết bị phụ tải đắt tiền Vì vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phƣơng pháp khởi động thích hợp Với động khơng đồng có phƣơng pháp sau : -Khởi động trực tiếp -Khởi động phƣơng pháp hạ điện áp đặt vào stator động cơ: Phƣơng pháp khởi động sử dụng cuộn kháng Phƣơng pháp khởi động sử dụng biến áp tự ngẫu Phƣơng pháp khởi động đổi nối Sao-Tam giác Phƣơng pháp khởi động động roto dây quấn Khởi động phƣơng pháp tần số 1.3.2 Khởi động động dị a) Khởi động trực tiếp Khởi động trình đƣa động trạng thái nghỉ (đứng im) vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức Khởi động trực tiếp, đóng động vào lƣới không qua thiết bị phụ Việc cấp điện áp định mức cho stato động dị rotor lồng sóc động dị ro to dây quấn nhƣng cuộn dây rotor nối tắt, rotor chƣa kịp quay, thực chất động làm việc chế độ ngắn mạch Dòng động lớn, gấp dịng định mức từ đến lần Tuy dòng khởi động lớn nhƣ nhƣng mô men khởi động lại nhỏ hệ số công suất cos nhỏ (cos = 0,1- 0,2), mặt khác khởi động, từ thông bị giảm điện áp giảm làm cho mô men khởi động nhỏ Dòng khởi động lớn gây hậu sau: - Nhiệt độ máy tăng tổn hao lớn, nhiệt lƣợng toả máy nhiều (đặc biệt máy có cơng suất lớn máy thƣờng xuyên phải khởi động) Vì sổ tay kỹ thuật sử dụng máy cho số lần khởi động tối đa, điều kiện khởi động - Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lƣới điện lớn, gây trở ngại cho phụ tải làm việc với lƣới điện Vì lý khởi động trực tiếp áp dụng cho động có cơng suất nhỏ so với công suất nguồn, khởi động nhẹ (moment cản trục động nhỏ) Khi khởi động nặng ngƣời ta không dùng phƣơng pháp b) Khởi động dùng phƣơng pháp giảm dòng khởi động Dòng khởi động động xác định biểu thức: I ngm (R U1 R )2 ( X ' (1-3) ' X ) Từ biểu thức thấy để giảm dịng khởi động ta có phƣơng pháp sau: -Giảm điện áp nguồn cung cấp -Đƣa thêm điện trở vào mạch rotor -khởi động thay đổi tần số -Giảm điện áp Ngƣời ta dùng phƣơng pháp sau để giảm điện áp khởi động:dùng cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu thực đổi nối sao-tam giác Đặc điểm chung phƣơng pháp giảm điện áp với việc giảm dòng khởi động, mô men khởi động giảm * Khởi động phƣơng pháp tần số Do phát triển công nghệ điện tử, ngày ngƣời ta chế tạo đƣợc biến tần có tính chất kỹ thuật cao giá thành rẻ, ta áp dụng phƣơng pháp khởi động tần số Thực chất phƣơng pháp nhƣ sau: Động đƣợc cấp điện từ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số điện áp nguồn cung cấp có giá trị nhỏ, sau đóng động vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động tăng dần, tần số đạt giá trị định mức, tốc độ động đạt giá trị định mức Phƣơng pháp khởi động đảm bảo dòng khởi động khơng vƣợt q giá trị dịng định mức 1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 1.4.1 Thống kê lƣợng động Về nguyên lý, máy điện khơng đồng làm việc nhƣ máy phát điện động không đồng Ở chế độ làm việc động cơ, lƣợng điện đƣợc cung cấp từ lƣới điện chuyển sang rotor từ trƣờng quay Dòng lƣợng đƣợc biểu diễn nhƣ sau : Công suất nhận từ lƣới điện: P1=m1U1I1cosφ1 (1-10) Ở stato, lƣợng bị phần tổn hao điện trở cuộn dây ( PCu1)và lõi thép ( PFe1) Vậy công suất điện từ chuyển từ stato sang rotor nhƣ sau: Pđt=P1-ΔPcu1- ΔPFe1 (1-11) Trong PCu1=m1I1 R , PFe1=m1I2Fe RFe Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số Tổn hao lõi thép phía rotor bỏ qua, làm việc định mức tần số f2 = (1 - 3)Hz Công suất điện từ chuyển sang rotor ứng với công suất tác dụng sinh điện trở R2‟/s vậy: Pđt=m1I’2 R'2 s = m1I’22R’2+ m1I’2 2R’2 1- s (1-12) s Thành phần thứ tổn hao đồng cuộn dây rotor: ΔPcu2= m1I’22R’2 = m2I22R2 (1-13) Phần cơng suất cịn lại đƣợc chuyển sang công học trục động vậy: Pcơ= m1I’22R’2 1- s = m1I22R2 1- s (1-14) s s Công suất đƣợc chuyển sang công suất hữu ích P2 tổn hao loại ( PCơ) nhƣ: ma sát ổ bi, quạt gió, ma sát rotor với khơng khí v.v ngồi cịn tổn hao phụ sóng bậc cao, mạch từ có ( Pp) Tổn hao phụ nhỏ ( Pp 0,005P1) Vậy cơng suất hữu ích tính nhƣ sau: P2 = Pcơ - Δ Pcơ- Δ Pp Tổng tổn hao động có giá trị: (1-15) Δ P = ΔPcu1+ ΔPFe1+ ΔPcu2+ Δ Pcơ+ ΔPp (1-16) Hiệu suất động cơ: η= P1 = P1P P =1- P (1-17) P P 1 Sơ đồ lƣợng máy điện dị biểu diễn hình 1.16 ΔPcu1 ΔPcu2 ΔPFe Pcơ+ Pđt P1 Pp P2 Hình 1.16 Sơ đồ lƣợng động di 1.4.2 Moment quay (moment điện từ) động dị Công suất học máy điện không đồng phụ thuộc vào tốc độ quay rotor (tốc độ cơ):Pcơ = M (1-18) Do mơ men điện từ máy điện khơng đồng tính đƣợc biểu thức: M= Pđt (1-19) c tt Ở ωcơ= n = 60 t P = f1 n tốc độ rotor tính vịng phút, p - tốc độ góc quay từ trƣờng đo rad/giây, p- số đôi cực Thay 3.3 THỰC NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH 3.3.1 Lựa chọn biến tần động + Biến tần :LS iG5A Công suất : 0.75Kw Dải tần : 0.1 - 400 Hz Điện áp : 380 – 460 V , pha Dòng tiêu thụ : 2.5 A Nhiệt độ : -10 – 40 °C (14 – 104 °F) Độ ẩm < 90 % RH Áp lực : 86 – 106 kPa +Động : Bơm nƣớc Trung Quốc Điện áp : / :220 /380v Công suất : 0.75 kW Tốc độ : 2800 vòng/phút 3.3.2 Khởi động động bấm nút trực tiếp mặt biến tần Màn hình hiển thị biến tần bật nguồn : Ta khởi động động việc bấm vào nút RUN biến tần để dừng động ta bấm vào nút STOP/RESET Để thao tác trực tiếp biến tần ta cần cài đặt DRV = 38 Màn hình hiển thị cài đặt : Màn hình hiển thị cài đặt : 3.3.3 Khởi động động bấm nút bảng điều khiển Để thao tác khởi động dừng bảng điều khiển ta phải đặt DRV = lúc phím bấm biên tần vơ tác dụng 39 Màn hình hiển thị cài đặt : Màn hình hiển thị cài đặt : 3.3.4 Khởi động mềm dừng mềm + Khởi động mềm : DRV > ACC > ENTER Chọn thời gian khơi động 40s.Thay đổi số hình hiển thị 40 40 Màn hình hiển thị cài thời gian khởi động : Màn hình hiển thị đặt thời gian khởi động: + Dừng mềm : DRV > DEC > ENTER Chọn thời gian dừng động 50s.Thay đổi số hình hiển thị 50 41 Màn hình hiển thị cài thời gian dừng : Màn hình hiển thị đặt thời gian dừng : 3.3.5 Chạy tốc độ đặt trƣớc tốc độ thay đổi tốc độ tùy ý Đặt tốc độ Max cho biến tần : F21 đặt tốc độ cao cho biến tần 70 Hz 42 Màn hình hiển thị đặt tốc độ Max : Màn hình hiển thị đặt tốc độ Max : + Đặt tốc độ : DRV > ST1 đặt tốc độ 40Hz thay đổi số hình hiển thị 40 43 Màn hình hiển thị đặt tốc độ : Màn hình hiển thị cài tốc độ : + Đặt tốc độ : DRV > ST2 đặt tốc độ 50Hz thay đổi số hình hiển thị 50 44 Màn hình hiển thị cài tốc độ : Màn hình hiển thị cài tốc độ : +Đặt tốc độ ;I > i30 đặt tốc độ 60Hz thay đổi số hình hiển thị 60 45 Màn hình hiển thị đặt tốc độ : Màn hình hiển thị đặt tốc độ : 46 Công tắc điều khiển tốc độ 3.3.6.Thay đổi tốc động biến trở Để thay đổi tần số biến tần biến trở trực tiếp bấm nút biến tần ta phải thay đổi hệ số FRQ Đặt FRQ = thay đổ tần số biến trở : 47 Biến trở để thay đổi tốc độ Đặt FRQ = để thay đổi tốc độ trực tiếp biến tần 3.3.7 Đảo chiều động công tắc bảng điều khiển Thực đảo chiều quay động ta bật công tắc quay thuận quay nghịch bảng điều khiển 48 KẾT LUẬN Sau thời gian dài tìm hiểu tài liệu thực đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biến tần LS iG5A dùng cho khởi động điều chỉnh tốc độ động dị ba pha lồng sóc” giúp em có nhìn tổng quan biến tần xây dựng thành cơng mơ hình điều khiển động dị ba pha lồng sóc thơng qua biến tần LS iG5A Đồng thời giúp em củng cố lại kiến thức máy điện, trang bị điện, điện tử công suất…đã học suốt thời gian vừa qua Đề tài hồn thành với cơng việc đƣợc tác giả thực : -Nghiên cứu tổng quát phƣơng pháp khởi động động -Nghiên cứu nguyên lý cấu tạo biến tần -Thực kết nối biến tần để khởi động điều khiển động Đây đề tài mang tính ứng dụng cao phù hợp với yêu cầu khai thác công nghiệp Em xin chân thành cảm ơn tới Th.S Nguyễn Đồn Phong ngƣời trực tiếp tận tình hƣớng dẫn tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án Em xin cám ơn thây cô giáo khoa điện, bạn sinh viên lớp ĐCL501 giúp đỡ em học tập năm qua Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực Bùi Đức Trọng 49 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC PHƢƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1 MỞ ĐẦU 1.2 CẤU TẠO 1.2.1 Cấu tạo stato 1.2.2 Cấu tạo rotor 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.3.1 Đặt vấn đề 1.3.2 Khởi động động dị 1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 1.4.1 Thống kê lƣợng động 1.4.2 Moment quay (moment điện từ) động dị 1.4.3 Đặc tính động dị ba pha 10 1.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12 1.5.1 Điều chỉnh động dị cách thay đổi tần số nguồn 13 1.5.2 Phƣơng pháp điều chỉnh U/f = const 14 1.5.3 Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ 16 CHƢƠNG 2.TÌM HIỂU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 17 2.1 KHÁI QUÁT BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN 17 2.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 19 2.2.1 Biến tần trực tiếp 19 2.2.2 Biến tần gián tiếp 21 50 2.3 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 24 2.3.1 Cấu trúc biến tần 24 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 24 CHƢƠNG 3.KẾT NỐI BIẾN TẦN IG5A VỚI ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA LỒNG SÓC 26 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÃNG LG TẠI VIỆT NAM 26 3.2 BIẾN TẦN LS IG5A 27 3.2.2 Các tính bật 28 3.2.3 Thông số kĩ thuật 29 3.2.4 Các đầu vào .30 3.3 KẾT NỐI BIẾN TẦN VỚI ĐỘNG CƠ 31 3.4 KHỞI ĐÔNG VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG BIẾN TẦN IG5A 32 3.4.1 Cài đặt thông số cho biến tần 32 3.4.2 Khởi động động với chế độ điều khiển 33 3.3 THỰC NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH 38 3.3.1 Lựa chọn biến tần động 38 3.3.2 Khởi động động bấm nút trực tiếp mặt biến tần .38 3.3.3 Khởi động động bấm nút bảng điều khiển .39 3.3.4 Khởi động mềm dừng mềm 40 3.3.5 Chạy tốc độ đặt trƣớc tốc độ thay đổi tốc độ tùy ý 42 3.3.6.Thay đổi tốc động biến trở 47 3.3.7 Đảo chiều động công tắc bảng điều khiển 48 KẾT LUẬN 49 51 52