Thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trở thành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế, nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ. Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ Tự động hóa (TĐH) đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy Tự Động Hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều. Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn. Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 2 thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai. Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS Đoàn Quang Vinh đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài này. Trong quá nghiên cứu, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, kính mong sự giúp đỡ của các thầy cô để đề tài này được hoàn thiện hơn. Đà Nẵng, Ngày 10 tháng 6 năm 2011 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG: Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong sinh hoạt. Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện chiều, vì chúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã mở ra một triển vọng lớn cho các loại động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm sau: + Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều. + Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm. + Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 4 1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. 1.2.1 Cấu Tạo: Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: dây quấn sơ cấp nhận điện áp lưới với tần số f 1 , dây quấn thứ cấp được khép kín. Dây quấn thứ cấp thứ cấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f 2 và nó là hàm của tốc độ góc rôto ω . Động cơ không đồng bộ được chia làm hai loại: động cơ KĐB dây quấn và động cơ KĐB rôto lồng sóc. Động cơ KĐB dây quấn là loại động cơ mà rôto có dây quấn giống stato, dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao, ba đầu cũng được nối với vành trượt, đấu với mạch ngoài bằng chổi than. Nhờ cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ. Động cơ KĐB rôto lồng sóc có dây quấn rôto khác hẳn với kết cấu của stato. Trong rảnh của rôto người ta đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm và nối tắt chúng ở hai đầu vòng ngắn mạch. Cấu tạo gồm hai phần chính: + Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 0 và được cấp điện áp xoay chiều 3 pha để tạo từ trường quay. Phần cảm đặt ở stato được nối sao hoặc tam giác. + Phần ứng cũng gồm 3 cuộn dây, thường đặt ở rôto, với rôto bằng sắt và rôto dây quấn. 1.2.2 Nguyên lý hoạt động. Động cơ KĐB làm việc dựa tren hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đặt điện áp 3 pha vào 3 dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stato. Khi từ trường quay (giả thiết theo chiều kim đồng hồ) của phần cảm quay qua các thanh dẫn phần ứng thì các cuộn dây (hay thanh) của phần ứng xuất hiện 1 suất điện động cảm ứng. Nếu mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra (chiều được xác định bằng qui tắc bàn tay phải). Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này, hai Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 5 lực từ có chiều được xác định theo qui tắc bàn tay trái, và tạo ra mômem làm quay phần cảm theo chiều quay của từ trường quay. Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều 3 pha Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu phần cảm quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường thì từ trường sẽ không quay qua các dây dẫn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng không còn. Do mômen cản phần cảm sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn phần cảm lại bị từ trường quay qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện lại và do đó mômen lẫn phần cảm tiếp tục quay theo từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Tốc độ từ trường quay là ω 0 (rad/s) hay n 0 (vòng/phút) thì tốc độ quay của phần cảm ω luôn nhỏ hơn ω < ω 0, n<n 0 , sai lệch tương đối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s. Với s = (ω 0 - ω)/ω 0 (1-1) ω = ω.(1-s) hay n=n 0 (1-s) (1-2) ω = (2πn)/60, hay ω 0 = (2πn 0 )/60 = (2πf 1 )/p (1-3) f 1 : là tần số của lưới Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 6 Tốc độ ω 0 (rad/s) hay n 0 (vòng /phút) là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này được gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Dòng điện cảm ứng trong phần dây phần ứng ở rôto cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối với từ trường quay. 0 21 () . 60 pnn fsf − == (1-4) 1.2.3 Vận hành động cơ không đồng bộ: a) Mở máy động cơ KĐB. Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy. Nói chung khi mở máy cần chú ý các yêu cầu sau: + Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặt tính cơ của tải. + Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. + Phương pháp mở máy và các thiết bị cần dùng phải đơn giản, rẻ tiền chắc chắn. + Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. b Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ. Theo thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ là đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi bỏ qua tổn thất do ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-3. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 7 Hình 1-3: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U 1 là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) . ' 12 ,, III µ - dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện rôto đã qui đổi về stato(A). ' 12 ,, RRR µ điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về stato ( Ω ). ' 12 ,, XXX µ điện kháng tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về stato ( Ω ). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng. [ ] 2' 12 ' 22 2 01 3 ,. () nm UR MNm R sRX s ω =  ++   (1-5) Trong đó: nm X điện kháng ngắn mạch ' 12 nm XXX =+ * Đường đặc tính cơ Với những giá trị khác nhau của s ( 01 s ≤≤ ), phương trình cho những giá trị M. Đường biểu diễn M=f(s) trên trục tọa độ s0M như hình vẽ, đó là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 8 Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường dặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: 0 dM ds = Giải phương trình ta có: ' 2 22 1 th nm R s RX =± + (1-6) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: 2 1 22 011 3 2( th nm U M RRX ω = ±+ (1-7) Vì ta đang xét trong giới han ( 01 s ≤≤ ) (chế độ động cơ) nên giá trị s th và M th của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xaoy chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn ẠK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω =0 (s=1) và mômen mở máy: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 9 [ ] 2' 12 '22 012 3 ,. () nm UR MNm RRXω =  ++  (1-8) Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (M c =0) và tốc độ đồng bộ. 1 0 2 f p π ω= (1-9) c) Ảnh hưởngcủa tần số nguồn f 1 đến đặc tính cơ. Khi thay đổi f 1 theo (1-9), tốc độ đồn bộ 0 ω thay đổi, đồng thời X 1 ,X 2 cũng bị thay đổi (vì = 2 XfL π = ) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn s th và mômen tới hạn M th. Quan hệ tới hạn theo tần số s th =f(f 1 ) và mômen tới hạn theo tần số M th =f(f 1 ) là phức tạp nhưng vì 0 ω và X 1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f 1 nên có thể từ các biểu thức của s th và M th ta rút ra: th 1 th 2 1 s: 1 : M f 1 f        (1-10) Khi tần số f giảm, đồ trượt tới hạn s th và mômen M th đều tăng lên nhưng M th tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức f đm thì tổng trở của cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: 1 1 ons u ct f = (1-11) Như vậy M th sẽ giữ không đổi ở vùng f 1 < f đm . Ở vùng f 1 >f đm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 =U đm nên ở vùng này M th sẽ giảm tỷ lệ nghịch với Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 10 bình phương của tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật ons U ct f = để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. Hình 1-5: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn Hình 1-6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số kết hợp với thay đổi điện áp 1.3 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rải trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp và trong các thiết bị điện dân dụng Ước tính có khoảng 50% lượng điện năng sản suất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. [...]... thể kể ra các luật điều khiển sau: + Luật U/f không đổi ; U/f =const + Luật dòng điện không tải không đổi.I0 =const + Luật hệ số quá tải không đổi λ=Mth/Mc =const + Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc I1=f(∆ω) * Phương thức điều khiển U/f =const Suất điện động của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông Φ1và tần số f1 theo • • • • E = K Φ1 f1 = U − IZ1 biểu thức: (2-19) Từ công thức trên... THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN 3.1 BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN TRONG CÔNG NGHIỆP Hình 3.1: Biến tần SIEMENS Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, này càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần Trong đó một bộ phân đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển động cơ điện Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công... phương pháp thay đổi tần số: Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực theo công thức: ω0 = 2π f1 p Mà ta lại có tốc độ của rôto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: ω = ω0 (1 − s ) Do đó bằng việc điều chỉnh tần số f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi cực từ không. .. các thiết bị công suất dẫn đến việc điều khiển động cơ một cách dễ dàng hơn 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ: 2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto Đối với động cơ rôto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở rôto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh được thực hiện ở phía rôto Phương pháp này còn gọi là phương pháp biến. .. thọ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạy động ở tần số cao bởi tính cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung ảnh hưởng đến các vòng đồng của rôto Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông... 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ Khi... U0 để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 từ đó ta có quan hệ sau: U1=U0+Kf1 Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Uđm tại f=fđm Khi a>1 (f>fđm) điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f= const Hình 2-10: Đồ... vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điều chỉnh có thể khác với độ trượt st Hình 2-9: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng bộ điều khiển thyristor SVTH:Tề Minh Tri Trang 24 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh * Nhận xét và ứng dụng: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh... của động cơ lại tăng lên cho đến khi M=Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới ω2 . truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển. QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG: Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong