Điều chỉnh động cơ một pha bằng biến tần áp gián tiếp

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Điều chỉnh động cơ một pha bằng biến tần áp gián tiếp

1MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hoá dây truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu được, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Nó quyết định đến năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi nhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng khi hoà nhập vào môi trường cạnh tranh quốc tế. Nước ta là một nước nông nghiệp, quanh năm đều có những sản phẩm nông sản. Ngoài việc không ngừng tăng về mặt số lượng của nông sản mà việc nâng cao chất lượng nông sản cũng đang được Đảng và Nhà nước ta rất quan tâm. Vì vậy việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp là rất quan trọng. Đặc biệt là trong khâu bảo quản sau thu hoạch, trong đó quá trình sấy để bảo quản nông sản rất được quan tâm. Nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió là những thông số rất quan trọng trong quá sấy. Nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nông sản. Ở nước ta, việc sấy nông sản đã được tiến hành từ xa xưa nhằm bảo quản nông sản được lâu hơn, nhưng công việc này chủ yếu dựa vào thiên nhiên là chính. Việc nhận biết đặc tính sấy của nông sản chủ yếu là do kinh nghiệm của người thực hiện sấy. Những năm gần đây đã có những phòng thí nghiệm sấy được xây dựng nhằm khảo nghiệm đặc tính sấy của nông sản. Một trong những yếu tố quan trọng tác động đến đặc tính sấy của nông sản là tốc độ gió thổi vào nông sản. Vì vậy việc điều chỉnh tốc độ gió có một ý nghĩa quan trọng và nó đòi hỏi cần phải có một giải pháp điều chỉnh tốc độ chính xác. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ quạt gió để thay đổi tốc độ gió thổi vào nông sản đang được ứng dụng rất phổ biến. Hiện nay cùng với sự phát triển kỹ thuật vi điện tử, công nghệ thông tin là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong sản xuất công 2nghiệp tự động hoá quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những vấn đề quang trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Gần đây loại động cơ này được sử dụng rất rộng rãi do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác. Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và mỗi một phương pháp lại có nhưng ưu điểm riêng. Đối với loại động cơ không đồng bộ roto lồng sóc một xu hướng điều khiển thông dụng được dùng nhiều nhất là điều khiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần). Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần là phương pháp hiện đại cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trơn, rộng và hiệu quả. Ưu điểm này đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy. Được sự phân công của bộ môn điện, với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Văn Đường, cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn đề tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp gián tiếp” đã hoàn thành. Do thời gian dành cho đề tài có hạn, khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. 2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu về mặt lý thuyết hệ thống điều khiển tốc độ quay và biến tần. - Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha bằng biến tần áp. - Xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió bằng biến tần áp của hệ thống sấy nông sản. - Thiết kế và lắp ráp được mạch. 3CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều trong nước và trên thế giới Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều thì ta tìm hiểu về động cơ không đồng bộ. 1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp và chiếm tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện. Trước đây các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ rất nhỏ do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Trong thời gian gần đây với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử, động cơ không đồng bộ đã được khai thác triệt để các ưu điểm của nó và dần dần thay thế cho động cơ điện một chiều trong các hệ truyền động. hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần stator và rotor. Phần cảm (stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách điện với lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dây quấn và rotor lồng sóc. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có kết cấu giống như dây quấn stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồng bộ rotor 4dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác với dây quấn stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm được nối với nhau bằng vòng ngắn mạch. Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi ta đưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ không đồng bộ thì trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1. pfn11= trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường này sẽ quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứng e21. Khi dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dòng điện I2. Từ thông do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo nên đó là từ thông khe hở không khí giữa stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thông này và dòng điện rotor tạo ra mômen quay Mq. Nếu mômen Mq > Mc thì roto sẽ quay (Mc là mômen cản). Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n1, ví khi n = n1 lúc đó e21 = 0; I2 = 0; Mq = 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Để đánh giá sự khác nhau giữa n và n1 ta đưa ra khái niệm về độ trượt s. 11n-ns=n Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n1 độ trượt s ≈ 0. Trong chế độ động cơ 0 < n < n1 do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor với n > n1 do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưng ngược chiều từ trường n1 lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ 5hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ có thể biiêủ diễn trên thang độ trượt như hình sau: Người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại chính là: động cơ rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồng sóc lại không được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện từ bán dẫn đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý do ấy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cách rộng rãi trong các hệ truyền động công nghiệp. Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộ Ta có phương trình cân bằng điện áp viết cho dây quấn stator: () 11111U=-E+I r+jx (1.1) Trên dây quấn rotor: (), 2222, 21, .12 o 1om0=-E -I r/s+jxEEII IEIz=+==− (1.2) r1 và r2’ là điện trở stator và rotor đã quy đổi về mạch stator; x1 và x2’ là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về mạch stator; Io là dòng điện từ hoá; 6 rm là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, xm là điện kháng từ hoá biểu thị sự hỗ cảm giữa stator và rotor; Từ những phương trình nêu trên ta có sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của động cơ không đồng bộ: Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ Công suất điện từ và mô men điện từ '2'dt 1 Cu1 Fe 1 2 2'2'co dt Cu2 1 2 2sssII1PPp p m()r/PPp m()r()/=− − ==− = − Mô men điện từ của động cơ: 2'212'21s'2211sdt)x(x/s)r[(r2ππ/sprUmwPM+++== (1.3) Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ω = f(M) Từ phương trình mô men của động cơ (1.3) ta xây dựng được đường đặc tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ như hình vẽ sau: ω s = 0 M Mth Mt sth n= 0 7 Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ đạt cực đại tại điểm có: 2'2121'2th)x(xrrs++= 21th2'2s1 1 1 23UM2(r r (x x))ω=+++ ththththth2asssss)as(12MM+++=⇒ ( 1.4 ) với a = r1/r2. Đối với động cơ có công suất lớn r1<<x1+x2’ lúc này ta có thể bỏ qua r1 nghĩa là r1 = asth= 0 suy ra: '221th th''12 s12r3UsMxx 2(xx)ω=⇒=++ thththssss2MM⇒=+ ( 1.5 ) 1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụng cụ, thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oát đến vài trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ 8không đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởi động. Rôto động cơ không đồng bộ một pha thường là lồng sóc. Dây quấn làm việc được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc, còn dây quấn khởi động chỉ nối vào khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷ 85% tốc độ đồng bộ thì dùng bộ ngắt kiểu ly tâm cắt dây quấn khởi động ra khỏi lưới điện. Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi động nối vào lưới. So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, công suất của động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha, nhưng do các động cơ điện một pha có khả năng quá tải thấp nên trên thực tế, trừ động cơ điện kiểu điện dung ra, công suất của động cơ điện một pha bằng 40 ÷50% công suất động cơ điện ba pha. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấn làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sinh ra từ trường đập mạch Φ. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch như Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một pha tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều ngược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng của từ trường quay thuận nghịch đó với dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau MA và MB. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai mô men đó bằng nhau và ngược chiều nhau, do đó mô men quay tổng bằng không. 9 Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ một pha Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quay theo chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần số của sức điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận ΦA sinh ra sẽ là: ( ) ( )1112B 11pn-n pn n-nf= = =sf60 60n ( 1.6 ) Còn đối vớitừ trường quay ngược ΦB thì tần số ấy sẽ là: () ( )()11112A 11pn+n 2n-n-npnf= = -2-sf60 60 n⎡⎤⎢⎥⎣⎦ ( 1.7 ) ở đây (2 - s) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường ΦB. Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường ΦA máy làm việc ở chế độ động cơ điện, còn đối với từ trường ΦB, do hệ số trượt của roto đối với tử trường đó bằng 2 – s > 1, nên máy sẽ làm việc trong chế độ hãm. Ngược lại, khi 1 < s < 2 tức là khi cho roto quay theo chiều của từ trường dây quấn B thì hệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trường ΦB, máy làm việc ở chế độ động cơ, còn đối với từ trường ΦA thì ở chế độ hãm. Quy ước rằng các mô men có trị số dương khi chúng tác dụng theo chiều chiều quay của từ trường ΦA, ta sẽ được các đường cong mô men MA và 10MB của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính mô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy. Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Để điều khiển được dòng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiên cứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc của rotor, M là mô men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnh tốc độ và mô men. Ta có phương trình đặc tính của động cơ không đồng bộ như sau: 2'11 2'2 '2s12 1 2mUpr/sM2πf [(r r /s) (x x )=+++ ( 1.8 ) Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u1, điều chỉnh điện trở mạch rotor (r2), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor… Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và mỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: [...]... cấu trúc của hệ biến tần động cơ Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp Biến tần trực tiếp Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ biến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu) U∼ f1 Bộ biến đổi U∼ f2 Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp Gọi là biến trực tiếp vì nó biến đổi nguồn vào xoay chiều có tần số f1 thành... biến tần là thích hợp vì điều chỉnh tốc độ được liên tục, dải điều chỉnh rộng và việc điều chỉnh đơn giản 16 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN 2.1 Biến tần áp 2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số không đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) với tần số có thể thay đổi được Thông thường biến tần làm việc với nguồn... từ của động cơ sinh ra bằng mô men tới hạn của động cơ Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng điện stator Mặt khác vì ωr=2пfr nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tần số mạch rotor là hằng số d) Điều chỉnh tần số bằng phương pháp véc tơ không gian Qua sự phân tích một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không... có cả động cơ điện một chiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng và liên tục Nó còn được áp dụng nhiều trong các hệ truyền động chất lượng cao Hơn nữa phương pháp điều khiển tốc độ bằng biến tần điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giản và thích hợp nhất Nên phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điều khiển tốc độ gió cho hệ thống sấy nông sản trong phòng thí nghiệm 1.2 Điều chỉnh. .. hơn Bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha Ở đây việc biến đổi điện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được, thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùng chuyển mạch tự nhiên Những bộ biến. .. luật điều khiển tần số a) Luật điều khiển tần số theo khả năng quá tải Mô men cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mô men tới hạn Mth, khả năng quá tải về mô men được quy định: Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu 22 điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với hệ thống biến tần nguồn áp. .. của động cơ lại giảm đi Trong phương pháp này nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mô men cũng không đổi và không phụ thuộc tốc độ động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương pháp này cho hệ truyền động có mô men không đổi d Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng động hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ. .. độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M, được gọi là tỉ số điều biến, M = Ar + Ap Điều chỉnh Ar cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung 30 Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều chỉnh Ar ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải a Điều biến độ rộng xung đơn cực: Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một pha, tải R + L Sơ đồ hoạt động như... về hệ biến tần động cơ Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phía sơ cấp của máy biến áp có tần số f1 sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u2 Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều Tụ C có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu Sau đó dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều... việc điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp Bởi vì nếu điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp thì: Nếu giảm f1 thì φ của động cơ tăng lên làm cho mạch từ của động cơ bị bão hoà và dòng điện từ hoá Iμ lớn lên, tổn thất sắt trong lõi thép stator lớn làm cho động cơ phát nóng dữ dội, đôi khi có thể gây cháy động cơ Nếu tăng f1 làm cho từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu động . là điều khiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần) . Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần. Biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp. Biến tần trực tiếp Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ biến đổi một pha, nhiều pha,