điều chỉnh tốc độ đông cơ không đồng bộ roto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung ở mạch roto

I. Giíi thiÖu §CK§B vµ kÕt cÊu: §éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha ®­îc sö dông réng r¶i trong c«ng nghiÖp tõ c«ng suÊt nhá ®Õn c«ng suÊt trung b×nh vµ chiÕm tû lÖ rÊt lín so víi ®éng c¬ kh¸c. Së dÜ nh­ vËy lµ do ®éng c¬ K§B cã kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÓ chÕ t¹o, vËn hµnh an toµn, sö dông nguån cÊp trùc tiÕp tõ l­íi ®iÖn xoay chiÒu 3 fa. Tuy nhiªn tr­íc ®©y c¸c hÖ truyÒn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé cã ®iÒu chØnh tèc ®é l¹i chiÕm tû lÖ rÊt nhá, ®ã lµ do viÖc ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ K§B cã khã kh¨n h¬n ®éng c¬ mét chiÒu. Trong thêi gian gÇn ®©y, do ph¸t triÓn c«ng nghiÖp chÕ t¹o b¸n dÉn c«ng suÊt vµ kü thuËt ®iÖn tö tin häc, ®éng c¬ K§B míi ®­îc khai th¸c c¸c ­u ®iÓm cña m×nh. Nã trë thµnh hÖ truyÒn ®éng c¹nh tranh cã hiÖu qu¶ víi hÖ truyÒn ®éng tiristo, ®éng c¬ mét chiÒu.

Lời nói đầu

Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơchiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làmviệc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lớicông nghiệp, dải công suất động cơ rất rộngt ừ vài trăm W đến hàng ngàn kW.Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng

bộ lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ một chiều

Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn vàdải điều chỉnh hẹp Nhng với sự ra đời và phát triển nhanh của dụng cụ bándẫn công suất nh: Diốt, Triắc tranzitor công suất, Thiristor có cực khoá… Thìcác hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới đ-

3 Chơng III: Tính chọn mạch điều khiển.

4 Chơng IV: Tính chọn cảm biến để xây dựng hệ kín.

5 Đặc tính cơ.

Em xin chân thành cảm ơn thầy "Nguyễn Trung Sơn" đã hớngdẫn tận tình cho em trong quá trình làm đồ án vừa qua Đến hôm nay em đãhoàn thành đồ án của mình Nhng vì khả năng và thời gian có hạn nên chắcchắn vẫn còn sai sót nhất định

Em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô giáo trong bộmôn thiết bị điện - điện tử trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tìnhgiảng dạy giúp đỡ tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập và rèn luyện của

em để đến hôm nay em hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình

Sinh viên

Trần Minh Tiếu

Chơng I:

Tổng quan về điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 3 PHA

I Giới thiệu ĐCKĐB và kết cấu:

Động cơ không đồng bộ ba pha đợc sử dụng rộng rải trong công nghiệp

từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với độngcơ khác Sở dĩ nh vậy là do động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dể chế tạo, vậnhành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lới điện xoay chiều 3 fa Tuynhiên trớc đây các hệ truyền động cơ không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ lạichiếm tỷ lệ rất nhỏ, đó là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khănhơn động cơ một chiều Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệpchế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, động cơ KĐB mới đợc

khai thác các u điểm của mình Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh cóhiệu quả với hệ truyền động tiristo, động cơ một chiều.

II Đặc tính cơ của động cơ KĐB roto dây quấn:

• Để thành lập đặc tính cơ,ta cần đa ra một số giả thiết sau:

- 3 pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của mạch không thay đổi, nghĩa là không phụ thuộcnhiệt độ, điện trở của mạch roto không phụ thuộc vào tần số của dòng điệntrong nó, mạch từ không bảo hoà, do đó điện kháng của cuộc dây stato X1 vàroto X2 không thay đổi

- Tổng dẫn của mạch dòng từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá IM

không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của

động cơ

- Bỏ qua các tổn thất của ma sát

- Điện áp lới hoàn toàn hình sin và đối xứng

Nh vậy ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ

Trong đó: XM, X1,X2’ các điện kháng của mạch từ hoá, Stato và Rôto qui

Uf trị số hiệu dụng của điện áp pha ở stato (V)

IM,I1,I2 Dòng điện từ hoá , stato, rôto đã qui đổi về stato (A)

S độ trợt của động cơ

S = ( ω 0- ω)/ ω 0 (1.1)Với ω 0 vận tốc góc của từ trờng quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad)

r

r' 2

S

R'f

[Hình 1.1] Sơ đồ thay thế một pha của động cơ KĐB roto dây

quấn.

f: tần số điện áp nguồn đặc vào stato (Hz).

Mặt khác, từ sơ đồ thay thế ( hình 1.1) ta có, trị số hiệu dụng của dòng

điện roto đã qui đổi về stato

Với Mdt : mô men điện từ của động cơ

Nếu bỏ qua các tổn thất thì Mdt = Mcơ = M

Công suất đó chia ra hai thành phần : công suất đa ra trục động cơ là Pcơ

và công suất tổn hao đồng trong rôto ∆P2 nghĩa là :

P12 = Pcơ+∆P2 Hay Mω0 = Mω + ∆P2

Do đó ∆P2 = M(ω0-ω) = Mω0.S

Mặt khác ∆P2 = 3I2’2R2

Nên M = 3I2’2R2/ω 0.S (1.5)

Thay phơng trình (1.5) vào phơng trình (1.4) ta đợc phơng trình đặc tínhcủa cơ của động cơ

R

max max

2

) 1 ( 2

aS S

S S

S

S a M

+ +

nm

X r

2

3

2 2

1 1 0

2

nm

f

X r r

U

+ +

S

S a M

max max

1 Điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số:

[Hình1.3] sơ đồ nguyên lý hệ ĐCTĐ ĐCKĐB bằng cách thay đổi tần số

- Tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ KĐB quyết định giá

trị tốc độ từ trờng quay cũng là tốc độ không tải lý tởng Ta có:

n0 = 60f1/P hay ω 0 =

P

f1

2 π

- Do vậy bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp cho phần cảm ta có thể

điều chỉnh đợc tốc độ động cơ Để thực hiện phơng án này ngời ta dùng bộbiến tần để cung cấp cho động cơ

- Khi thay đổi tần số thì trở kháng của động cơ có thay đổi, do đó kéo

theo dòng điện từ thông thay đổi Cụ thể , khi giảm tần nguồn cảm khánggiảm (X1 = 2 πf ) và dòng điện sẽ tăng lên Muốn động cơ không bị quá dòngcần giảm điện áp theo sự giảm tần số

- Ngời ta chứng minh đợc rằng khi thay đổi tần số, nếu đồng thời chỉnh

điện áp cấp cho phần cảm sao cho hệ số quá tải λM =

2 1

( 2

3

nm

ph

X R R

U

+ +

4

3

' 2 1 1

2 1

X X f

Từ đó : λM = A

c

ph

M f

U

.

3

2 1

2 1

= A

cdm dm

dm

M f

(1.11)

Mômen của cơ cấu sản suất khi coi Mco≈0 , biểu thức :

ω (1.12).

Trong đó : Mc mômen cản của cơ cấu sản suất ở tốc độ ω nào đó

Mco = là mômen cản của cơ cấu sản suất ở ω = 0

Mcdm là mômen cản của cơ cấu sản suất ở ω = ωdm

K là số mũ đặc trng cho phụ tải (K = 0,±1,2)

1

K ph

f

U

+ =

2 1 1

1

K dm

[Hình 1.4] Đặc tính có khi thay đổi tần số sử dụng quy luật thay đổi điện áp gần

đúng với các loại phụ tải khác nhau.

Nhận xét :

Phơng pháp này thích hợp bất kỳ loại tải nào, ứng với mỗi loại tải nhất

định sẽ có qui luật thay đổi

f

U nhất định phơng pháp này thích hợp cho điềuchỉnh động cơ lồng sóc, điều chỉnh phơng pháp này cho phép điều chỉnh tốc

độ một cách liên tục trong phạm vi rộng

Nhợc điểm lớn của phơng pháp này là giá thành cao

2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phơng pháp thay đổi số đôi cực:

[Hình 1.5] Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ ∆ - YY

[Hình 1.6] Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY

Để thay đổi số đôi cực P, ngời ta thay đổi cách đấu dây ở stato của độngcơ Những máy đặc biệt này ngời ta gọi là máy đa tốc độ , số đôi cực của nóthay đổi bằng hai cách khác nhau, cách thứ nhất : dùng hai tổ nối dây riêngbiệt mỗi tổ có hai số đôi cực riêng, cách thứ hai: dùng một tổ dây quấn statonhng mỗi pha đợc chia thành hai đoạn Thay đổi cách nối giữa hai đoạn đó ta

sẽ thay đổi một đôi cực P, cách thứ nhất tạo đợc hai tốc độ bất kỳ không lệthuộc nhau Cách thứ hai có sơ đồ đấu dây phức tạp và có hai cấp tốc độ lệthuộc nhau

Khi đổi nối từ tam giác → sao kép (∆- YY) ta có những quan hệ sau

đây Khi nối ∆ hai đoạn dây stato đấu nối tiếp nên:

R1 = 2r1 ; X1 = 2X1

Và tơng ứng R2 = 2r2 ; X2 = 2X2 ; Xnm = 2Xnm (1.16).Trong đó : r1,r2, X1, X2 điện trở và điện kháng mỗi đoạn dây stato vàroto Điện áp đặt lên dây quấn mỗi pha là Uf ∆ = 3U1

) ' 2 1

2 1

' 2

nm

X r

M th ∆ =

2 1

2 1

' 2

YY YY

YY

YY

X X

nm

X r

r

+ = Sth∆ (1.20).

MthYY =

2 1

2 (1.23)

Nh vậy khi nối ∆ →YY tốc độ không tải lý tởng tăng hai lần Sth giữ

nguyên, mômen tới hạn giảm

3

1

Đặc tính cơ của nó có dạng:

[Hình 1.7] Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho phép khi

đổi nối dây quấn stato ∆ →YY

ω

S

thYY

Sth

SthY = 2 2

1

' 2

nm

X r

r

+ (1.23).

MthY =

2 1

[Hình 1.8] các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho phép khi đổi

nối dây quấn stato Y-YY.

3 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rôto dây quấn bằng phơng pháp thay

động cơ bằng cách điều chỉnh hệ số trợt S chính là thay đổi điện áp đặt vàostato, thay đổi công suất trợt (sơ đồ nối tầng ), thay đổi điện trở mạch rôto.

3.1 Điều chỉnh điện áp nguồn cấp vào stato động cơ KĐB.

Có nhiều cách điều chỉnh điện áp nguồn cấp vào stato động cơ KĐB:

3.1.1 Điều chỉnh điện áp dùng biến áp từ ngẫu

Trong đó : K = W2/W1 Hệ số biến áp

Khi điều chỉnh điện áp ra để cấp cho stato động cơ , hệ số K thay đổi

đồng thời Zs và Za cũng đều thay đổi Các đặc tính cơ đều có dạng nh hình vẽ:

[Hình 1.10] các đặc tính điều chỉnh của truyền động KĐB dùng biến áp tự ngẫu.

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng củamáy điện, khi dùng động cơ KĐB rôto dây quấn ngời ta nối thêm một điện trở

cố định Rcd vào mạch rôto Khi đó nếu điện áp đặt vào stato là định mức (Ub =

U1) thì ta có đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên Ta gọi đặc tính này là đặc

Mth; Sth các đại lợng tơng ứng của đặc tính tự nhiên

c) Nhận xét:

Hệ dùng biến áp tự ngẫu không những có giá thành cao mà còn rất khó

tự động hoá nên các chỉ tiêu điều chỉnh không cao Vì thế nó ít đợc sử dụng

3.1.2 Điều chỉnh điện áp nhờ kháng bảo hoà :

Ith

Wlv Wth

[Hình 1.11] Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ KĐB bằng phơng pháp

dùng kháng bảo hoà.

Khi thay đổi dòng từ hoá Ith nhờ biến trở đặt tốc độ , độ từ thẩm của lõithép sẽ thay đổi do đó điện kháng của cuộn làm việc Wlv biến đổi điện áp đặtvào, động cơ biến cho ta các đặc tính cơ nh hình vẽ (1.12) mỗi vùng ứng vớimột trị số của dòng từ hoá Ith

b) Đặc tính cơ:

[Hình 1.12] Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phơng pháp kháng bảo hoà

Hệ thống này có hai “vùng chết” không điều chỉnh đợc Vùng thứ nhấtnằm giữa đặc tính cơ có Ithmax và đặc tính cơ tự nhiên Vùng thứ hai nằm giữatrục tung và đờng có Ith = 0 Sở dĩ có hai vùng này vì dòng từ hóađạt đợc cực

đại Imax nhng Xlv vẫn có một giá trị nhỏ gây sụt áp nên đặc tính này khôngtrùng với đặc tính cơ tự nhiên Còn khi cuộn kháng bị khử từ hoàn toàn Ith = 0thì Xlv vẫn còn giá trị hữu hạn nên đặc tính cơ tơng ứng không thể sát trụctung

= 2 ữ5 Tuy nhiên muốn mở rộng dải điều chỉnh thì tổn thất trợt trong rôto(M,ω0,S) quá lớn Vì vậy động cơ bị đốt nóng quá mức

3.1.3 Điều chỉnh điện áp nhờ bộ điều chỉnh thiristor :

Giả thiết đờng cong trên hình (1.14) là đồ thị điên áp pha A đa vào stato

động cơ qua hai van T1 và T4 mở góc α0 tính từ góc của đờng hình sin thì nó

sẽ thông cho đến thời điểm π do điện áp lới dơng đặt vào Anốt và sau đó từ

δ

π

π ữ + nó vẫn thông nhờ năng lợng điện từ tích luỹ trong điện cảm củamạch Tơng tự nh vậy van T4 thông ở giữa chu kỳ âm, góc δ phụ thuộc vàogóc ϕ của động cơ, tức là phụ thuộc độ trợt của động cơ

Điện áp stato không sin, nh trên hình (1.14) đợc phân tích thành nhữngthành phần sóng hài , trong đó sóng bậc 1 là thành phần sinh công cơ học Giá trị hiệu dụng của sóng bậc 1 (U1b) không những phụ thuộc vào góc thông

0

α mà còn phụ thuộc góc pha ϕ của động cơ.

b) Đặc tính cơ:

Đặc tính điều chỉnh của hệ dùng bộ điều chỉnh thiristor có dạng nh sau:

[Hình 1.15] Các đặc tính điều chỉnh của hệ truyền động KĐB khi

dung bộ điều chỉnh thiristor

c) Nhận xét:

Ưu điểm của hệ này là nhờ sử dụng thiristor nên có khả năng tự độnghoá để làm tăng độ cứng đặc tính cơ Về chỉ tiêu năng lợng, tuy nhiên tổn thấttrong bộ biến đổi không đáng kể nhng điện áp stato bị biên dạng so với hìnhsin nên tổn thất phụ trong động cơ lại lớn Do đó hiệu suất không cao

3.1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rôto dây quấn bằng cách điều chỉnh công suất trợt ( Sơ đồ nối tầng):

Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi cácthông số của đông cơ hoặc thay đổi các thông số của nguồn cung cấp đều có

1 0

nhợc điểm cơ bản là không tận dụng đợc tổn thất công suất trợt ở mạch rôto Tổn thất công suất trợt này ∆P3 =M ω0.S trong hầu hết các trờng hợp đều tiêután vô ích dới dạng nhiệt trên điện trở mạch rôto Vì vậy chỉ tiêu năng lợngcủa các phơng pháp này đều thấp Đối với những động cơ KĐB rôto dây quấn

có công suất lớn hoặc rất lớn , thì tổn thất công suất trợt sẽ rất lớn Do đó cóthể không dùng đợc các thiết bị chuyển đổi và điều khiển ở mạch rôto Việc

sử dụng trực tiếp năng lợng trợt ấy rất khó khăn vì tần số dòng điện rôto khácvới tần số lới

Để vừa tận dụng đợc năng lợng trợt, vừa điều chỉnh đợc tốc độ của độngcơ KĐB rôto dây quấn, ngời ta sử dụng các sơ đồ nối tầng

Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB trong các sơ đồ nối tầng đợc thực hiệnbằng cách đa vào rôto của nó một sức điện động phụ Ef sức điện động phụ này

có thể cùng chiều hoặc ngợc chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto

E2 và có tần số bằng tần số rôto Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặcmột chiều nh sơ đồ nguyên lý hình (1.16)

[Hình 1.16] Sơ đồ nguyên lý khi đa các sức điện động phụ vào mạch rôto của động cơ KĐB

để điều chỉnh tốc độ của nó trong sơ đồ nối tầng

a, Sức điện độ xoay chiều ; b, Sức điện động một chiều

Giả thiết điều kiện làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụnăng lợng từ lới là sinh năng lợng trợt ở mạch rôto khi đa Ef vào, dòng điệnrôto xác định theo biểu thức : I2 = E2.Ef/Z

Giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác định trên đặc tínhứng với một giá trị Ef nào đó Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm và có một trị

số nhỏ hơn mômen Mc , nên tốc độ của động cơ giảm Khi tốc độ giảm tốc độtrợt S tăng lên làm cho E2 = E2nm.S tăng lên Kết quả là dòng điện rôto I2 vàmômen điện từ của động cơ tăng lên cho đến khi mômen của thiết bị nối tầngcân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc động, động cơ làmviệc xác lập với tốc độ thấp hơn trớc , khi /E2/ = /Ef/ , I2 = 0

Động cơ có tốc độ không tải lý tởng ω0lt Khi Ef = 0 động cơ làm việctrên đặc tính gần với đặc tính tự nhiên

Theo nguyên lý biến đổi năng lợng trợt, ngời ta chia các sơ đồ nối tầngthành hai loại :

- Nối tầng điện ( có M = const )

- Nối tầng điện cơ ( có P = const )

của hệ nối tầng điện của hệ thống nối tầng điện

Trong những sơ đồ nối tầng loại này, năng lợng trợt có tần số f2 = f1.S

ở mạch rôto của động cơ KĐB có điều khiển đợc đa đến đầu vào của bộ biến

đổi BBĐ sau khi trừ tổn thất ở trong dây quấn rôto ∆Pđ và tổn thất trong bộbiến đổi ∆Pb năng lợng trợt đợc biến đổi thành điện năng Pđ trả về lớt nh giản

đồ năng lợng hình (1.18) trong các sơ đồ này bộ biến đổi và động cơ chỉ liên

hệ về điện với nhau Vì vậy gọi là “ sơ đồ nối tầng điện” Mômen trên trụccủa thiết bị nối tầng.

M =

ωco

P

Pco = Pđm = P12đm- ∆Psđm.Nếu giữ I1đm thì P12 ≈ 3Ufđm.Iđm = P12đm = Mđm.ω0

Tổn thất trợt ∆Psđm = P12đm.Sđm = Mđm.ω0.Sđm

Còn tốc độ ω = ωdm' = ω0(1-Sđm)

Vậy M =

) 1 (

) 1 (

0

' 0

dm

dm dm

dm

codm

S

S M

P

−

−

= ω

Năng lợng trợt sau khi qua bộ biến đổi đợc biến thành điện năng và đa

đến động cơ phụ ĐP Động cơ phụ lại biến điện năng đa lên trục động cơ Nhvậy, hệ thống gồm bộ biến đổi và ĐP liên hệ với động cơ cả về điện lẫn về cơ.Vì vậy, gọi là “ Sơ đồ nối tầng điện cơ”

Công suất tổng đa ra trên trục của thiết bị nối tầng điện cơ là:

Pt = Pcơ + ∆P3 Nếu giữ I1đm thì P12đm Suy ra phát triển = Pđm(1-S) + Pđm*S = Pđm = const

Nghĩa là các sơ đồ nối tầng điện cơ khi làm việc trên các đặc tính điềuchỉnh, công suất của hệ thống không đổi và bằng định mức

Nguyên lý điều chỉnh công suất trợt thờng đợc áp dụng cho nhữngtruyền động công suất lớn khi đó làm việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn.Một số vấn đề quan trọng nữa đối với hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi

động động cơ Thờng dùng điện trở phụ chất lỏng để khởi động động cơ đếntốc độ làm việc sau đó đến chế độ điều chỉnh công suất trợt Vì vậy nên ápdụng hệ thống này cho các truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảochiều ít.

3 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rôto dây quấn bằng cách thay đổi

điện trở mạch rôto :

Đối với động cơ rôto dây quấn thờng điều chỉnh tốc độ bằng cách thay

đổi điện trở rôto để thay đổi hệ số trợt S, việc điều chỉnh thực hiện ở phía rôto.Phơng pháp này còn gọi là phơng pháp biến trở

Sơ đồ điều chỉnh đợc biểu diển nh hình (1.21)

[Hình 1.21] Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh điện trở phụ ở mạch rôto.

Khi đa thêm điện trở phụ Rp vào mạch rôto làm cho dòng điện rôtogiảm xuống dần đến tốc độc quay giảm xuống

Điện trở tổng mạch rôto sẽ là :R∑ = Rr+Rf

Trong đó: Rr : Điện trở dây quấn một pha của rôto

Rf : Điện trở phụ một pha nối tiếp với rôto

Đặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi điện trở mạch rôto nh trênhình (1.22)

a ỏ b

2

ω1

ω0

ω ω

Rf0

Rf = 0

é

R f

[Hình 1.22] Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện trở mạch rôto động cơ KĐB rôto

( 2

th th

th

th th

aS S

S S S

aS M

+ +

' ' 2

nm

f

X R

R R

và tốc độ là ω1 ứng với điểm làm việc a nên đặc tính điều chỉnh hình (1.22)

Để điều chỉnh tốc độ ta đóng điện trở phụ Rf vào cả 3 pha của rôto, dòng điện

và mômen của động cơ giảm đột biến ( bỏ qua quán tính điện từ của động cơ)cho nên điểm làm việc trên mặt phẳng đặc tính cơ chuyển từ a đến b tại thời

điểm đó mômen của động cơ nhỏ hơn Mc nên hệ giảm tốc

Mặt khác vì tốc độ giảm, độ trợt tăng nên suất điện động tăng Cảmứng trong rôto E2 = E2nm.S tăng lên Do đó dòng điện và mômen của động lạităng lên , cho đến khi M = Mc thì hệ xác lập nhng với tốc độ mới ω2 <ω1

trạng thái này ứng với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh Rf Khi điều chỉnh

điện trở Rf = 0 tới Rf = R1 ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong miền nằmgiữa đặc tính cơ tự nhiên và tính cơ biến trở với Rf = R1

Ngày nay để điều chỉnh điện trở mạch rôto có thể dùng các sơ đồ sau:

1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở mạch rôto dùng con trợt:

Sơ đồ này chỉ có dùng cho động cơ công suất nhỏ vì khi điều chỉnh contrợt có thể phát sinh hồ quang dể gây ra h hỏng động cơ Hơn nữa sơ đồ nàykhó tự động hoá vì vậy ít đợc sử dụng

é

3 Sơ đồ điều chỉnh điện trở mạch rôto dùng điện trở xung:

Điều chỉnh tốc độ bằng điện trở là phơng pháp đơn giản nhng có nhiềunhợc điểm phần lớn các đặc điểm có liên quan đến dạng đặc tính cơ mềm vàviệc dùng điện trở nhiều cấp trong mạch động lực

Nếu muốn điều chỉnh tốc độ động cơ cần phải dùng biến trở có con trợtcần phải có lực cơ lớn để kéo con trợt biến trở Do dòng điện lớn nên dể gây ratia lửa điện làm cháy hỏng gây nguy hiểm

Phơng pháp điều chỉnh xung điện trở sẽ khắc phục đợc một số nhợc

điểm trên và mở ra khả năng tự động hoá hệ thống, đây là phơng pháp triểncủa phơng pháp biến trở

Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp điều chỉnh xung điện trở

é

[Hình 1.25] Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điệ trở Hình (1.25 a) và (1.25 b) trình bày một điện trở xung đơn giản nó gồmmột điện trở R mắc song song với một khoá K đợc đóng ngắt theo chu kỳ,khoá K có thể la một tranzito hay một thiritor khoá K không thể là khí cụ cơhoặc điện từ cơ kiểu rơle_công tắc tơ để làm khoá K Bởi vì chúng có độ tác

động nhanh kém đến mức không thể điều khiển đợc dòng điện và tốc độ Khilàm việc thì chóng h hỏng do tác động ở tần số tơng đối cao

Hiện nay ngời ta làm khoá K bằng các van bán dẫn điều khiển nhtranzito hoặc thiristor Khi thay đổi tần số đóng cắt thiristor thì dẫn đến thay

đổi điện trở tơng đơng rôto Do vậy việc sử dụng điện trở xung để điều chỉnhtốc độ động cơ KĐB có nhiều u điểm nh

- Điện trở thay đổi vô cấp

- Điện trở thay đổi tự động do sự thay đổi tự động độ rộng củaxung điện trở δ

- Dể dàng tự động hoá

Trên thực tế có khá nhiều sơ đồ để điều chỉnh xung tốc độ động cơKĐB 3 pha rôto dây quấn ở đây ta chỉ xét phơng pháp xung tốc độ mạchrôto và có các sơ đồ điều chỉnh nh hình (1.26)

[Hình 1.26] Sơ đồ điều chỉnh xung điện trở rôto bằng van bán dẫn.

Hình (1.26a) trình bày sơ đồ điều chỉnh xung tốc độ mạch rôto không

có mạch một chiều trung gian phơng pháp này gây tổn hao phụ lớn, sử dụngnhiều thiritor và mạch điều khiển khá phức tạp nên ít đợc sử dụng chủ yếu làdùng hai sơ đồ còn lại Đó là sơ đồ điều chỉnh xung tốc độ có mạch mộtchiều trung gian Đặc điểm chung của chúng là có một chỉnh lu cầu 3 pha đặttrong mạch rôto, việc điều chỉnh truyền động điện đợc thực hiên bằng cách

điều chỉnh dòng điện một chiều ở đầu ra của cầu

Trên sơ đồ hình (1.26b) sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung tốc độ độngcơ rôto dây quấn với bộ chuyển mạch rôto có mắc thêm chỉnh lu dòng điệnrôto ở phơng pháp này ở mạch rôto có mắc thêm chỉnh lu cầu 3 pha không

điều chỉnh đầu ra của bộ chỉnh lu có mắc thiritor T1 cùng với thiritor T2 , điệntrở R1 và R2 cùng tụ C Để điều chỉnh thiritor T1 và T2 ngời ta dùng sơ đồ điềuchỉnh đa hài

Khi phát xung điều khiển thiritor T1 thì nó đợc mở và tụ C sẽ phóng

điện qua điện trở R2 Sau khi phát xung điều khiển mở T2 thì điện áp trên tụ C

là điện áp ngợc đặc trên toàn bộ T1 và khi đạt đến hằng số thời gian đủ lớn

R1.C thì T1 đợc khoá lại , tụ C đợc nạp ngợc lại với cực tính δ0 với lúc trớc khi

mở T1thì T2 đợc khoá lại và quá trình cứ tiếp diễn

Trên sơ đồ hình (1.26c) ở đầu ra của cầu chỉnh lu có mắc điện cảm Ld

nối tiếp với điện trở phụ Rf Song song với Rf là khoá chuyển mạch mà trênhình vẽ ký hiệu là thiritor , đóng mở khoá chuyển mạch theo chu kỳ điện trở t-

ơng đơng Rtd sẽ biến đổi từ 0ữRf tuỳ thuộc vào độ rộng xung điện trở S, sau đódòng điện rôto sẽ thay đổi theo ở đây Rtd đợc điều chỉnh trơn vô cấp nhờ đó

có thể điều chỉnh tinh tốc độ , khoảng điều chỉnh rộng có thể tạo đợc đặt tínhcơ mong muốn

Tóm lại: mỗi phơng pháp điều khiển đều có u nhợc điểm riêng Tuỳtheo từng yêu cầu điều chỉnh, phụ tải cụ thể mà ta chọn phơng pháp điềuchỉnh nào sao chon thoã mãn yêu cầu kỹ thuật mà kinh tế nhất

Đây cũng là một trong những chỉ tiêu quan trọng của hệ điều chỉnh trong thời

đại ngày nay Do vậy ta chọn sơ đồ mạch lực nh hình(2.1) dới đây là sơ đồtính toán thiết kế:

[Hình 2.1] Sơ đồ mạch xung điện trở mạch rôto.

Sơ đồ (H2.1) có một bộ chỉnh lu cầu 3 pha không điều khiển, điện áp Ur

đợc chỉnh lu bởi cầu đi ốt qua điện kháng lọc Ld đợc cấp vào mạch điều chỉnhgồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T1 là thành phần của bộ khoáchuyển mạch Để tạo ra sự chuyển mạch nhân tạo thì trong bộ khoá chuyểnmạch có các thành phần phụ T2 , tụ C , điốt D1 , và điện cảm L2

Thiristor T1 làm nhiệm vụ nh một khoá K nó đóng mở theo cho kỳ củakhoá Thiristor T2 làm nhiệm vụ ngắt T1 , thời điểm của nó quyết định độxung δ Tụ C để tạo ra điện áp ngợc đặt lên T1 làm khoá T1 Các phần tử L2, D1

dùng để nạp tụ C vào mỗi chu kỳ thông T1

Nếu coi khoá K là lý tởng nghĩa là khoá có điện trở bản thân khi đóng

là Rk = 0 và ngắt là Rk = ∞ thì tơng ứng với khi khoá K đóng Rx = 0 , khi ngắtthì Rx = R∞ Nh vậy điện trở phụ thuộc trong mạch phần ứng động cơ thay

đổi theo chu kỳ từ 0ữR0 điện trở toàn mạch từ R tới R+R0

Điện trở điều chỉnh trong trờng hợp này sẽ có một giá trị tơng đơng Rtd

nằm giữa 0 và R0 Nó phụ thuộc vào tơng quan giữa các thời điểm đóng td vàthời điểm cắt tc của khoá thiristor , giá trị đó quyết định độ cứng đặc tính cơ

biến và trị số tốc độ của truyền động điện Nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thờigian đóng td và thời gian ngắt tc của khoá ta sẽ điều chỉnh trơn đợc giá trị điệntrở trong mạch rôto Do đó điều chỉnh trơn tốc độ.

Có thể xác định điện trở tơng đơng Rtd khi điều chỉnh xung một cáchgần đúng trên nguyên tấc đẳng trị nhiệt Ta suy luận nh sau:

Khi khoá đóng, điện trở mạch giảm xuống còn R nên dòng tăng

Khi khoá cắt, điện trở tăng thành R0+R nên dòng giảm

[Hình 2.2] Biến thiên điện trở và dòng điện theo thời gian

và khi điều chỉnh xung.

Khi khởi động dòng điện tăng từ 0 theo một đờng cong luỹ tiến Saumột thời gian đủ lớn đờng răng ca đó sẽ trở nên xác lập và có Imax ,Imin không

đổi, ta gọi trạng thái này là trạng “thái tựa xác lập”

Vì tần số dòng cắt đủ lớn tức là td,tc nhỏ hơn nhiều so với tđđ ,tđc Với tdd

= L/R và tdc = L/(R+R0): hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng khi K

đóng và cắt Nên ta có thể coi dòng điện tăng giảm theo đờng thẳng từ Imin đến

Imax và từ Imax đến Imin Nh vậy trong cả hai khoảng tđ,và tc đều có một giá trịdòng trung bình

I = 2

1(Imax+Imin) (2.1)

d u u c u

tb R R t I R t I

Nhiệt lợng tỏa ra trong toàn mạch trong một chu kỳ

Mặt khác nếu coi mạch có một điện trở cố định Rtd nào đó trong suốt cảchu kỳ thì Rtd này cũng phải đảm bảo dòng điện trong mạch đúng bằng Itb vàcũng toả ra một nhiệt lợng đúng bằng ∆A

Ta đợc : Rtd = R0(1- γ) (2.5)

Nh vậy khi đã chọn trớc giá trị điện trở R0, giá trị của điện trở tơng

đ-ơng Rtd phụ thuộc độ rổng xung điện trở δ Thay đổi δ ta sẽ có những trị sốkhác nhau của Rtd

Đặc tính điều chỉnh xung điện trở rôto nh (hình 2.3)

[Hình 2.3] Các đặc tính điều chỉnh xung điện trở rôto

- Có khả năng thay đổi độ rộng xung điện trở trong một khoảng

rộng để có thể điều chỉnh sâu tốc độ thông thờng độ rộng xung từ(0,05ữ0,95)

γ2

γ1

1 Tính chọn Aptomat :

Aptomat khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện , để bảo vệ quá tải vàngắn mạch Ta chọn Aptomat theo dòng định mức Theo PLIV.5 trang 286sách “ thiết kế cung cấp điện ” Của tác giả Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tẩm

Ta chọn Aptomat kiểu EA53-G do Nhật chế tạo, có các thông số kỹ thuật sau

có các thông số sau:

- Điện áp định mức Uđm = 380 V

- Dòng điện định mức Iđm = 20,8A Chọn các nút ấn :

Tra theo catalog của hảng Yong Sung (Hàn Quốc) chọn

+ Chọn một nút ấn thờng đóng có màu đỏ loại YS 13-11 + Chọn một nút ấn thờng mở có màu xanh loại YS 13-11R

255

2 2 ' 2

20 '

+

= +

=

X R

20

1 20

E

U E

Ihd = Idm.Khd = 52,78.

3

1 = 30,47 (A)

Ivcp = KI.Ihd = 1,2.30,47 = 36,56 (A) Chọn KI = 1,2

Tra bảng 4 tài liệu “thiết kế thiết bị điện tử công suất” của thầy giáoTrần Văn Thịnh biên soạn, ta chọn Điốt có ký hiệu RP6040 có các thông số :

Dòng điện cực đại của van : Imax = 40 (A)

R R const S

2

4 1

' ' 2

Mà Sdra = 0 , 0637

1000

3 , 936

1 , 234 1000

4 1

1 4 1

2 2

UngcpT = 972 (V)

Ivcp = 63,34 (A) Muốn tăng độ dốc của đặc tính điều chỉnh, ta phải dùng thiristor có

điện áp định mức lớn nh vậy :

→Tra bảng 5 trang 114 sách “tài liệu hớng dẫn thiết kế thiết bị ĐTCS”của tác giả Trần Văn Thịnh chọn thiristor T1 và T2 loại T8OF10BEM có cácthông số kỹ thuật :

- Dòng điện trung bình của van Itb = 80 (A)

- Điện áp ngợc của van Un = 1000 (V)

- Độ sụt áp trên van ∆U = 2,4 (V)

- Điện áp điều khiển Ug = 2 (V)

- Dòng điện điều khiển Ig = 0,15 (A)

Idmax = 52,78 (A) : Dòng điện cực đại có trong mạch

Kv : Hệ số dự trữ về áp

6 Tính chọn L d :

Muốn bảo đảm biên độ đập mạch nhỏ nhất cho dòng điện và mômen

động cơ, ta phải lấy tần số đóng cắt thiristor ở mức độ cực đại cho phép Mặc

dù theo số liệu catolô, thiristor đợc phép làm việc ở tần số 2000HZ Nhng taphải xét các thời gian tác động bản thân của thiristor (thời gian mở thông từ1ữ5 àS , thời gian phục hồi tính khoá từ 15ữ25 àS) Các khoảng thời gianngắn nhất cần để thiristor ngắt hẵn sau khi đã thông tơng đối lâu và độ dự trữcần thiết để đảm bảo làm việc tin cậy nên ta chọn tần số chuyển mạch fcm =800HZ Khi đó ta có chu kỳ chuyển mạch :

XL = x1’+ x2 ≅ x’2 + x2 = 4 , 15

) 82 , 0 (

67 , 1 67 ,

2

' 2 '

−

4

3 d

mở ) Vậy để đảm bảo cho sự chuyển mạch của các thiristor còn phải xác

định C từ giá trị lớn nhất của dòng chỉnh lu rôto theo phơng trình :

C = d max ph max ph max

Vậy C =

0

7,620,9.R = 0,9.14,58 = (àF)

0

T