Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khởi động mềm cho động cơ không động bộ 3 pha

Ngoài nước Do khả năng ứng dụng ngày càng rộng rãi của động cơ không đồng bộ ba pha nên việc chế tạo ra các bộ khởi động mềm cho các động cơ này cũng phát triển theo.. Nếu lực quán tính

— – ˜ & ™ — –

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

— – ˜ & ™ — –

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG

MỀM CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - 2 -

MỘT SÔ THUẬT NGỮ NGỮ VIẾT TẮT - 4 -

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU - 1 -

1.1 Giới thiệu chung - 1 -

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước - 1 -

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài - 2 -

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT - 4 -

2.1 Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ - 4 -

2.1.1 Khởi động động cơ không đồng bộ - 4 -

2.1.2 Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha - 5 -

2.1.3 Bài toán năng lượng - 14 -

2.2 Điều áp xoay chiều ba pha - 18 -

2.2.1 Một số mạch thông dụng - 18 -

2.2.2 Điều áp xoay chiều ba pha mạch thuần trở - 20 -

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG - 24 -

3.1 Chi tiết các tính năng - 24 -

3.2 Thiết kế phần cứng - 33 -

3.2.1 Sơ đồ khối - 33 -

3.2.2 Thiết kế chi tiết từng khối - 36 -

3.2.2.1 Khối đồng bộ theo điện áp - 36 -

3.2.2.2 Khối đồng bộ theo dòng điện - 38 -

3.2.2.3 Khối Thyristor - 39 -

3.2.2.4 Khối cách li - 40 -

3.2.2.5 Khối có chức năng bảo vệ - 42 -

3.2.2.6 Khối giao tiếp và khối xử lí trung tâm - 46 -

3.3 Thiết kế phần mềm - 49 -

3.3.1 Các công cụ sử dụng - 49 -

3.3.2 Cơ sở thiết kế - 49 -

3.3.3 Lưu đồ trạng thái phần mềm - 52 -

CHƯƠNG IV: THỬ NGHIỆM - 55 -

5.1 Các chức năng cần thử - 55 -

5.1.1 Mẫu HS2P-200 - 55 -

5.1.2 Mẫu HS3P-200 - 55 -

5.2 Phương pháp thử - 55 -

5.3 Chuẩn bị - 55 -

5.4 Thực hiện và kết quả - 56 -

5.4.1 Trong phòng thí nghiệm - 56 -

5.4.2 Thử nghiệm thực tế - 60 -

PHỤ LỤC - 70 -

5.1 Các sơ đồ đấu nối của bộ khởi động mềm - 70 -

5.2 Một số lưu ý khi vận hành thiết bị - 71 -

5.2.1 Bộ HS2P-200 - 71 -

5.2.2 Bộ HS3P-200 - 72 -

5.3 Giới thiệu về thiết bị đo dòng và áp hiệu dụng U/I RMS-HTC - 73 -

5.4 Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến bộ khởi động mềm trung thế - 75 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 77 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 78 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Sơ đồ khởi động trực tiếp - 5 -

Hình 2.2: Sơ đồ khởi động đổi nối sao- tam giác - 6 -

Hình 2.3: Đặc tính dòng theo thời gian của phương pháp đổi nối Y/∆ - 8 -

Hình 2.4: Sơ đồ khởi động nhờ cuộn kháng - 8 -

Hình 2.5: Sơ đồ khởi động nhờ biến áp tự ngẫu - 10 -

Hình 2.6: Mở máy bằng cách mắc điện trở phụ vào roto - 11 -

Hình 2.7: Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp xoay chiều ba pha - 12 -

Hình 2.8: Các đường đặc tính với các phương pháp khởi động khác nhau - 13 -

Hình 2.9: Mối quan hệ hiệu suất động cơ với tải làm việc - 15 -

Hình 2.10: Mối quan hệ hệ số công suất động cơ với tải - 15 -

Hình 2.11: Mô hình tiêu thụ năng lượng điện của động cơ - 16 -

Hình 2.12: Đặc tính Moment theo độ trượt với các chế độ làm việc - 17 -

Hình 2.13: Mô hình tiêu thụ điện của động cơ - 18 -

Hình 2.14: Sơ đồ đấu sao có trung tính - 19 -

Hình 2.15: Sơ đồ đấu sao không trung tính - 19 -

Hình 2.16: Sơ đồ đấu tam giác - 20 -

Hình 2.17: Dạng phát xung điều khiển - 20 -

Hình 2.18: Đồ thị điện áp trên tải khi 0 30 α = - 21 -

Hình 2.19: Đồ thị điện áp trên tải khi 0 75 α = - 22 -

Hình 2.20: Đồ thị điện áp trên tải khi α =1200 - 22 -

Hình 2.21: Đặc tính điện áp hiệu dụng trên tải theo góc mở α - 23 -

Hình 3.1: Quá trình tăng áp trên tải khi khởi động - 24 -

Hình 3.2: Quá trình giảm áp trên tải khi dừng mềm - 25 -

Hình 3.3: Đặc tính áp và dòng với chức năng khởi động có kick - 26 -

Hình 3.4: Đặc tính áp và dòng với chức năng khởi động có giới hạn dòng - 27 -

Hình 3.5: Đặc tính điện áp hiệu dụng trên tải theo thời gian - 28 -

Hình 3.6: Bàn phím và chức năng của từng phím - 29 -

Hình 3.7: Cấu trúc menu - 30 -

Hình 3.8: Chọn tải khởi động - 31 -

Hình 3.10: Lấy lại tham số mặc định của hệ thống - 33 -

Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển khởi động mềm HS2P-200 - 34 -

Hình 3.12: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển khởi động mềm HS3P-200 - 35 -

Hình 3.13: Tạo xung đồng bộ dùng IC khuếch đại thuật toán - 37 -

Hình 3.14 : Sơ đồ nguyên lí khối đồng bộ dùng coupler - 37 -

Hình 3.15: Giản đồ xung đồng bộ theo điện áp - 38 -

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí khối báo khởi động xong - 38 -

Hình 3.17: Khối cách li - 41 -

Hình 3.18: Bảng lựa chọn R, C bảo vệ van - 42 -

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lí khối báo mất pha - 43 -

Hình 3.20: Giản đồ xung đồng bộ của ba pha - 43 -

Hình 3.21: Bảng chân lí khi đủ pha - 44 -

Hình 3.22: Bảng chân lí khi mất pha A - 44 -

Hình 3.23: Bảng chân lí khi mất pha B - 44 -

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lí mạch biến đổi dòng cách li - 45 -

Hình 3.26: Sơ đồ chân và nguyên lí hoạt động của Thermostats - 46 -

Hình 3.27: Sơ đồ mạch nguyên lí khối phản hồi nhiệt - 46 -

Hình 3.28: Khối giao tiếp - 47 -

Hình 3.29: Sơ đồ chân vi xử lí ATMega162 - 48 -

Hình 3.30: Khối xử lí trung tâm - 49 -

Hình 3.31: Qui luật biến đổi điện áp đặt vào động cơ theo thời gian - 50 -

Hình 3.32: Mối quan hệ giữa U và α - 51 -

Hình 3.33: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ HS2P-200 - 52 -

Hình 3.34: Lưu đồ trạng thái chương trình bộ HS3P-200 - 53 -

Hình 4.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm - 56 -

Hình 4.2: Đồ thị điện áp và dòng với bộ HS2P-200 - 58 -

Hình 4.3: Đồ thị điện áp và dòng với bộ đối chứng SM44 IP20 - 58 -

Hình 4.4: Đồ thị áp và dòng với bộ HS3P-200 - 59 -

Hình 4.5: Đồ thị áp và dòng với bộ đối chứng XFE132 của FairFord - 60 -

Hình 4.6: Động cơ 45kW với tải là quạt hút cho trạm trộn Asphalt - 61 -

Hình 4.7: Bộ sản phẩm của đề tài và máy đo M/I RMS – HTC - 62 -

Hình 4.8: Máy tính phục vụ việc lưu trữ và đồ thị hóa - 63 -

Hình 4.9 : Đồ thị áp và dòng khi khởi động dùng đổi nối sao tam giác - 64 -

Hình 4.10: Đồ thị áp và dòng với bộ HS2P-200 chế độ Standard - 65 -

Hình 4.11 : Đồ thị áp và dòng với bộ HS2P-200 chế độ High inertia Fan - 66 -

Hình 4.12 : Chức năng khởi động có kick - 67 -

Hình 4.13 : Điện áp và dòng trên động cơ với bộ HS3P-200 - 68 -

Hình 4.14 : Quá trình khởi động có kick của bộ HS3P-200 - 69 -

Hình 5.1: Sơ đồ đấu nối với bộ HS2P-200 - 70 -

Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối với bộ HS3P-200 - 71 -

Hình 5.3: Bảng các loại lỗi của bộ HS3P-200 - 73 -

Hình 5.4: Sơ đồ khối thiết bị U/I RMS-HTC - 73 -

Hình 5.5: Giao diện của phần mềm trên máy tính - 74 -

Hình 5.6: Giao diện của phần mềm trên máy tính - 74 -

Hình 5.7: Sơ đồ khối bộ khởi động trung thế - 75 -

Hình 5.8 Ghép nối các Thyristor - 76 -

MỘT SÔ THUẬT NGỮ NGỮ VIẾT TẮT

1 LCD: Liquid Crystal Display

2 EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

3 ALU: Arithmetic Logic Unit

4 RICS: Reduced Instruction Set Computer

5 CISC: Complex Instruction Set Computer

6 CPU: Center Processing Unit

7 PWM: Pulse Width Modulation

8 ADC: Analog Digital Converter

9 SPI: Serial Peripheral Interface

10 IIC: Inter Intergrated Circuit

11 D.O.L: Direct on line

12 IM: Inductor motor

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU Nội dung chính:

v Giới thiệu chung

v Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước

v Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

1.1 Giới thiệu chung

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong nền công nghiệp quốc dân

Ưu điểm nổi bật của động cơ này là : Cấu trúc đơn giản, làm việc chắc chắn, tin cậy, giá thành hạ… Đặc biệt là nó có khả năng dùng trực tiếp lưới điện mà không cần qua các bộ biến đổi Tuy nhiên nó có nhược điểm là khống chế các quá trình quá độ, đặc biệt là khi khởi động cũng như điều khiển tốc độ gặp nhiều khó khăn

Ngày nay các bộ điều khiển động cơ không đồng bộ có mặt rộng khắp trên thị trường trong và ngoài nước Tuy nhiên cấu tạo bên trong cũng như các qui luật điều khiển vẫn là một bí mật của các hãng sản xuất Vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu bộ khởi động mềm với mong muốn có thể chế tạo ra sản phẩm để có thể thay thế hàng nhập ngoại với giá cả rẻ hơn

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước

Ngoài nước

Do khả năng ứng dụng ngày càng rộng rãi của động cơ không đồng bộ ba pha nên việc chế tạo ra các bộ khởi động mềm cho các động cơ này cũng phát triển theo Hiện nay có rất nhiều hãng đã sản xuất chế tạo ra các bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ, chủ yếu dưới dạng số sử dụng kĩ thuật vi xử lí Tùy theo công suất động cơ, yêu cầu về tính năng cũng như giá cả mà các hãng đưa ra các sản phẩm với rất nhiều chủng loại khác nhau cho khách hàng chọn lựa Có thể kể tên một số hãng nổi tiếng như:

Fairford, Abb, Siemens, Danfoss…

Trong nước

Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các nghành công nghiệp đang được chú trọng và phát triển Trong các nhà máy, xí nghiệp với các máy tự động , dây chuyền sản xuất, cơ cấu nâng hạ v v…thì không thể thiếu động cơ, đặc biệt là động cơ không đồng bộ Vì thế nhu cầu sử dụng các bộ khởi động mềm cho các động cơ này cũng tăng theo Tuy nhiên các bộ khởi động mềm cho các động cơ này thường là

dưới dạng mạch tương tự có thiết bị cồng kềnh, khả năng tự động hóa kém Một số xí nghiệp nhập các bộ khởi động mềm số của các nước khác về nhưng với giá thành cao

Công tác nghiên cứu: Trong vài năm gần đây, cũng có một số nghiên cứu về vấn

đề này, tuy nhiên tất cả chỉ dừng ở lại ở mức độ lý thuyết, một số bài báo có đề cập vấn

đề này nhưng cũng chỉ mang tính thảo luận và chưa có tính qui mô

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

Trong tình hình như vậy, đề tài đặt ra mục tiêu tìm hiểu và thiết kế 02 mẫu khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ 3 pha

Ø Thông số kỹ thuật

Mẫu KĐM đơn giản (các tham số đặt bằng núm

- Tần suất khởi động với 500% dòng định mức lần/h 5

Mẫu KĐM thông minh (có màn LCD)

- Tần suất khởi động với 500% dòng định mức lần/h 5

việc

Ø Yêu cầu về tính năng

v Đối với bộ đơn giản (HS2P-200):

• Có khả năng khởi động mềm và dừng mềm

• Báo lỗi, tự động xử lí lỗi trong quá trình hoạt động như: Mất pha, quá dòng khởi động, quá nhiệt, hỏng Thyristor

quạt gió, máy nén, máy nghiền, băng tải…

v Đối với bộ thông minh (HS3P-200):

• Báo lỗi, tự động xử lí lỗi trong quá trình hoạt động như: Mất pha, quá dòng khởi động, quá nhiệt, hỏng Thyristor

giúp người vận hành có thể dễ dàng cài đặt các thay đổi như:

o Có thể khởi động hoặc dừng nhanh bằng các tham số mặc định

o Thời gian khởi động và dừng có thể thay đổi tùy theo loại tải

o Dải điều chỉnh điện áp khởi động hoặc dừng có thể thay đổi được từ 10%-60% điện áp lưới để đưa ra điện áp phù hợp với momen khởi động

o Có chế độ khởi động kickstart

o Có thể thay đổi giới hạn dòng khởi động

o Có thể chọn lựa chương trình ứng dụng cho từng loại tải như: Máy bơm, quạt gió, máy nén, máy nghiền, băng tải…

o Có thể chọn lựa chế độ chạy của động cơ sau khi khởi động

Ø Nội dung nghiên cứu của đề tài

Để đạt được các mục tiêu trên, đề tài cần tiến hành các nội dung sau:

v Khảo sát một số bộ khởi động mềm số của một số hãng, lựa chọn các phương pháp thiết kế cho phù hợp

v Tìm hiểu các vấn đề lí thuyết khởi động mềm

v Thiết kế xây dựng sơ đồ nguyên lí

v Thiết kế chế tạo mạch in, lắp ráp linh kiện, hiệu chỉnh phần cứng

v Xây dựng phần mềm nhúng cho vi xử lí

v Thử nghiệm kết quả trong phòng thí nghiệm với động cơ công suất nhỏ

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

Nội dung chính:

Ø Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ

o Khởi động động cơ không đồng bộ

o Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ

Ø Đièu áp xoay chiều ba pha

2.1 Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ

2.1.1 Khởi động động cơ không đồng bộ

Biến đổi năng lượng, từ điện năng thành cơ năng làm quay rotor là đặc điểm cơ bản nhất của hầu hết các loại động cơ điện Tuy nhiên việc điều khiển dòng năng lượng này, đặc biệt trong quá trình khởi động động cơ là một quá trình phức tạp Các mạch điều khiển dùng contactor để cho phép đóng hoặc ngắt trực tiếp động cơ với nguồn cấp

là phương pháp đơn giản nhất Thậm chí ngày nay, sau hơn 100 năm từ khi phát minh ra động cơ không đồng bộ, thì hệ thống điều khiển động cơ dựa trên contactor vẫn còn được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, việc điều khiển này gây ra nhiều tác hại không mong muốn Như đã biết, moment khởi động của động cơ tỉ lệ với bình phương dòng điện:

2 motor

trong thời gian dài gây nóng và hại động cơ

nhanh dơ (khớp nối ), dãn (cu roa, băng tải)… làm các bộ phận truyền động nhanh hỏng, giảm tuổi thọ của thiết bị

Để giảm thiểu những tác hại trên thì cần phải giảm dòng khởi động của động cơ Điều đó lý giải vì sao vấn đề khởi động động cơ không đồng bộ nói chung và đặc biệt là

động cơ công suất lớn là vấn đề cần được quan tâm nhiều

2.1.2 Một số phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha

Tuỳ theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện cũng khác nhau Nói chung khi khởi động động cơ cần xét đến yêu cầu

cơ bản sau:

• Phải có Momen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

• Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

• Tổn hao công suất quá trình mở máy càng thấp càng tốt

Dưới đây là một số phương pháp cơ bản để khởi động cơ không đồng bộ ba pha

cơ bằng cách giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động qua đó dòng khởi động cũng giảm

Phương pháp điều khiển này có ưu điểm là đơn giản, giá thành thấp Tuy nhiên

phương pháp này gây ra dòng khởi động rất lớn gây ra các tác hại không mong muốn như đã được đề cập trong mục 2.1.1 Phương pháp này thường ứng dụng cho những động cơ công suất nhỏ( thường không quá 22kW) hoặc ứng dụng cho những nơi có công suất nguồn cấp đủ lớn

2.1.2.2 Đổi nối sao tam giác

Dựa trên mối quan hệ moment tỉ lệ với bình phương điện áp, nên việc khởi động động cơ thông qua việc giảm điện áp khởi động được ứng dụng trong thực tế Phương pháp đơn giản nhất là khởi động động cơ bằng đổi nối sao tam giác

Hình 2.2: Sơ đồ khởi động đổi nối sao- tam giác

Phương pháp này thích ứng với những động cơ khi làm việc bình thường đấu tam giác Bằng việc sử dụng ba contactor và một relay thời gian, bộ đổi nối sao-tam giác

sẽ làm thay đổi sơ đồ đấu nối của động cơ Lúc khởi động, K3 đóng, K2 cắt nên động cơ chạy ở chế độ tải hình sao(= 58% điện áp định mức khi chạy ở chế độ hình sao) Khi động cơ đạt khoảng 80% tốc độ, bộ đổi nối sẽ chuyển trạng thái làm việc của động cơ từ

sao sang tam giác nhờ relay thời gian thông qua việc đóng K3 và cắt K2

Khi tải là hình sao thì điện áp đặt lên tải là:

M

Nhận xét: Dòng khởi động giảm 3, momen khởi động giảm 3 lần so với khởi động trực tiếp Mặc dù phương pháp này có cải tiến hơn so với việc khởi động trực tiếp, tuy nhiên nó vẫn không giải quyết triệt để nhược điểm của việc khởi động trực tiếp Mặt khác khi chuyển từ sao sang tam giác sẽ tồn tại thời điểm động cơ không được kết nối với nguồn cấp, nhưng dòng điện qua rotor vẫn tồn tại gây ra từ trường cắt các cuộn dây stator Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, sẽ có điện áp trên cuộn dây stator mà tần số phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor Nếu lực quán tính của tải nhỏ như tải bơm hoặc lực masat lớn sẽ làm giảm đáng kể tốc độ của động cơ trong thời gian không kết nối này Khi động cơ được kết nối lại với nguồn cấp ở chế độ tải tam giác, sẽ có độ lệch pha lớn nguồn cấp với dòng qua rotor là nguyên nhân khiến dòng qua động cơ tăng vọt

Hình 2.3: Đặc tính dòng theo thời gian của phương pháp đổi nối Y/∆

Tuy chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nhưng hiện tượng trên vẫn gây ra những hư hỏng nhất định

2.1.2.3 Dùng cuộn kháng khởi động

Hình 2.4: Sơ đồ khởi động nhờ cuộn kháng

Mất một khoảng thời gian dài người ta mới nhận ra được những nhược điểm của phương pháp khởi động đổi nối sao tam giác như đã đề cập Sau đó người ta mới phát minh ra phương pháp điều khiển êm hơn đó là dùng cuộn kháng để khởi động

Khi khởi động, K2 cắt Lúc này, trong mạch điện stato được đặt nối tiếp một cuộn kháng Sau một thời gian, ta hoàn tất việc khởi động bằng cách đóng K2 thì điện kháng trên sẽ bị ngắt khỏi mạch Có thể điều chỉnh trị số điện kháng để có được dòng điện mở máy cần thiết Cũng có thể mắc thêm nhiều cuộn kháng để quá trình khởi động êm hơn

Do có sụt áp trên điện kháng nên điện áp đặt vào động cơ UDC sẽ giảm đi và nhỏ hơn điện áp lưới UL

M M

2.1.2.4 Dùng máy biến áp tự ngẫu

Trong hình 2.5, T là biến áp tự ngẫu có cao áp nối với lưới điện, hạ áp nối với động cơ Khi khởi động ta đóng D3 và mở D2 Sau khi khởi động động cơ xong ta cắt máy biến áp ra bằng cách đóng D2 và mở D3

Với máy biến áp ta có:

1 2

BA

U k

Hình 2.5: Sơ đồ khởi động nhờ biến áp tự ngẫu

Mặt khác dựa vào sơ đồ ta thấy:

1 L; 2 DC; L 1; DC 2

Nên ta có:

L DC BA

U U k

BA

M M

2.1.2.5 Mắc điện trở phụ vào roto

Hình 2.6: Mở máy bằng cách mắc điện trở phụ vào roto

Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ dây quấn vì đặc điểm của động cơ này là

có thể thêm điện trở vào cuộn dây roto Khi điện trở roto thay đổi thì M=f(s) cũng thay đổi Điều chỉnh điện trở mạch roto thích hợp ta sẽ có được trạng thái mở máy lí tưởng

Như vậy khi có điện trở phụ thì ImRf giảm và MmRf sẽ lớn

Sau khi máy đã quay để giữ một momen điện từ nhất định trong quá trình mở máy thì ta cần cắt dần điện trở phụ Khi cắt dần các điện trở phụ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ Sau khi cắt hết các điện trở phụ thì tốc độ động cơ đạt đến điểm làm việc sau 3 cấp điện trở khởi động

Như vậy động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn có thể đạt được tốc độ mở máy cao, dòng khởi động nhỏ nên được ứng dụng ở những nơi có yêu cầu mở máy khó khăn, yêu cầu mở máy cao Tuy nhiên nhược điểm của động cơ dây quấn là giá thành cao, cấu tạo phức tạo, khó bảo quản…

Hình 2.7: Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp xoay chiều ba pha

Nguồn điện qua bộ biến đổi được đưa đến để cấp cho động cơ Bộ biến đổi gồm sáu Thyristor mắc song song ngược Nhờ bộ biến đổi này ta hạ thấp được điện áp trước khi đưa đến khởi động động cơ sau đó tăng dần điện áp đến giá trị định mức của động cơ (vì thế người ta gọi là bộ biến đổi xung áp xoay chiều) Dòng điện tỉ lệ với điện áp nên khi giảm điện áp cấp cho động cơ thì dòng điện khởi động cũng giảm theo

Có thể so sánh đặc tính khởi động bằng Thyristor với các phương pháp khởi động khác thông qua các đặc tính khởi động:

Hình 2.8: Các đường đặc tính với các phương pháp khởi động khác nhau

Phương pháp khởi động dùng Thyristor khắc phục được nhược điểm của các

phương pháp khác Không những giảm được dòng khi khởi động, thêm vào đó quá trình khởi động êm, không phát sinh tia lửa điện, có thể khởi động được công suất từ nhỏ đến lớn, linh hoạt trong điều khiển, vận hành đơn giản, an toàn, độ tin cậy cao Mặt khác một

số loại tải yêu cầu phải dừng mềm động cơ, tức là giảm dần dòng cắt vào động cơ như thang máy, máy bơm Nếu dùng các phương pháp truyền thống thì khó có thể tích hợp chức năng này vào trong khi đó việc điều khiển điện áp ra của Thyristor khá linh hoạt

nên hoàn toàn có thể giải quyết được yêu cầu này

Từ các nhận xét trên ta thấy khởi động bằng Thyristor là ưu việt nhất Một trong những khâu quan trọng trong việc thiết kế bộ bộ khởi động theo phương pháp này là thiết kế mạch điều khiển bộ biến đổi Vài năm về trước người ta vẫn dùng mạch điều khiển bằng điện tử tương tự Mạch này tuy có nhiều ưu điểm nhưng có những nhược điểm là cồng kềnh, khó cải tiến, khó tự động hóa, sáu van được điều khiển bởi sáu kênh riêng biệt nên khi một kênh nào đó hỏng thì toàn bộ mạch cũng hỏng nên gây ra vấn đề

về độ tin cậy

Trong vài năm lại đây, công nghệ số và công nghệ bán dẫn phát triển mạnh Đặc biệt là sự ra đời của các dòng vi xử lí với tốc độ tính toán rất nhanh cho phép thực hiện được nhiều công việc trên một chip duy nhất nên các bộ điều khiển số cũng ra đời Mạch điều khiển số khắc phục được các nhược điểm của mạch tương tự như đơn giản, gọn nhẹ, đặc biệt là khả năng tự động hóa cao, với nhiều tính năng điều khiển, bảo vệ phong phú cho các dải hạ thế, trung thế và cao thế (tới hàng chục KV) và với giá thành rất hợp

lý

2.1.3 Bài toán năng lượng

2.1.3.1 Giới thiệu chung

Phần lớn các động cơ sử dụng trong công nghiệp là những động cơ không đồng

bộ ba pha làm việc với tốc độ không đổi Chúng tiêu thụ phần lớn công suất điện trong xí nghiệp Vì vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng khi sử dụng những động cơ này trở lên quan trọng

Cùng một động cơ nhưng tùy theo tải mà hiệu suất động cơ cũng khác nhau Khi làm việc ở đầy tải hoặc gần đầy tải thì hiệu suất động cơ ba pha tương đối cao từ 85% - 95% Tuy nhiên hiệu suất động cơ giảm mạnh khi tải nhỏ hơn 50% (non tải) Có thể thấy

rõ vấn đề này thông qua đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất động cơ với tải làm việc theo hình 2.9

Hình 2.9: Mối quan hệ hiệu suất động cơ với tải làm việc

Trong thực tế có ít động cơ làm việc ở đầy tải hoặc phải làm việc với tải biến thiên Với những động cơ làm việc ở chế độ non tải này luôn tồn tại lượng dư dòng từ hóa, gây tổn hao công suất và suy giảm hệ số công suất

Hình 2.10: Mối quan hệ hệ số công suất động cơ với tải

Để dễ hình dung ta xét một động cơ không đồng bộ ba pha 20kW làm việc với 20% tải Khi đó công suất thực tế ở đầu ra sẽ là:

Theo đường đặc tính hiệu suất theo tải, hiệu suất của động cơ khi làm việc ở 20% tải khoảng 54% Khi đó công suất cần cấp cho động cơ sẽ là:

Như vậy để có 4kW công suất ở đầu ra, động cơ cần lấy 7.4kW ở lưới Có đến 46% năng lượng từ nguồn cấp là vô nghĩa Các thành phần này bị suy hao vì các nguyên nhân như phát nhiệt ở cuộn dây, do dòng từ hóa, do masat…

Hình 2.11: Mô hình tiêu thụ năng lượng điện của động cơ 2.1.3.2 Nguyên tắc tiết kiệm điện năng

Khi đặt một điện áp vào dây quấn stator thì trong dây quấn stator có dòng điện I1 Dòng điện này bao gồm hai thành phần là dòng từ hóa I0 và dòng qua rotor I2 tạo ra sức

áp đặt vào stator nên để tăng hiệu suất động cơ ta có thể thay đổi điện áp đặt vào động cơ tùy theo tải làm việc của động cơ

Có thể hình dung nguyên lí của phương pháp này thông qua đường đặc tính thể hiện trên hình 2.12

sđịnh mứcsđồng bộ

Hình 2.12: Đặc tính Moment theo độ trượt với các chế độ làm việc

Giả sử khi động cơ làm việc ở chế độ đầy tải và với tốc độ định mức thì điểm làm việc của động cơ là điểm A Nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ trong khi tải làm việc của động cơ giảm è tốc độ động cơ tăng, điểm làm việc sẽ chuyển sang điểm

B có moment của động cơ giảm Mặt khác moment tỉ lệ với bình phương điện áp nên khi giảm áp thì moment giảm theo Giảm áp đến một giá trị thích hợp thì điểm làm việc của động cơ sẽ chuyển sang điểm “A” có tốc độ bằng với tốc độ của động cơ khi đầy tải Giảm áp đặt vào động cơ đồng nghĩa với việc công suất cấp cho động cơ giảm và theo

đó dòng từ hóa giảm, hiệu suất của động cơ tăng trong khi tốc độ động cơ được giữ không đổi Việc giảm áp được thực hiện sao cho dòng từ hóa giảm xuống giá trị như khi động cơ chạy ở chế độ không tải

Như vậy việc tiết kiệm điện năng thực chất là việc tăng hiệu suất động cơ hay chính là cải thiện hệ số công suất của động cơ khi động cơ chạy non tải Có thể thấy ích lợi của việc làm này thông qua hình 2.13

Hình 2.13: Mô hình tiêu thụ điện của động cơ

Vẫn dùng động cơ 20kW như đã nói trong mục 2.1.3.1, để công suất trên trục động cơ là 4kW, thay vì cấp công suất đầu vào là 7.4kW, bằng việc giảm áp đầu vào động cơ sao cho dòng từ hóa giảm xuống bằng với dòng từ hóa của động cơ khi chạy không tải Lúc đó công suất cần cấp cho động cơ sẽ là 5.6kW và hiệu suất động cơ 71%, năng lượng điện tiết kiệm được mỗi giờ là 7.4 - 5.6 = 1.8kW

2.2 Điều áp xoay chiều ba pha

2.2.1 Một số mạch thông dụng

ü Sơ đồ đấu sao có trung tính

Hình 2.14: Sơ đồ đấu sao có trung tính

ü Sơ đồ đấu sao không trung tính

Hình 2.15: Sơ đồ đấu sao không trung tính

ü Sơ đồ đấu tam giác

Hình 2.17: Dạng phát xung điều khiển

Khi mạch hoạt động, các van sẽ được phát xung mở cách nhau đều đặn 600 để đảm bảo trong một chu kì lưới điện( 3600

) quá trình đó sẽ lặp lại Thứ tự mở của các van

phụ thuộc vào thứ tự pha của điện áp đồng bộ Lúc đó tại mỗi thời điểm sẽ có ba khả năng xảy ra:

Ø Mỗi pha có một van dẫn, tương ứng tải được mắc đầy đủ ba pha vào lưới do

đó điện áp pha trên tải bằng điện áp nguồn

Ø Có hai van dẫn ở hai pha Như vậy có một pha tải bị ngắt và hai pha tải còn lại chia nhau điện áp dây nào được nối vào nguồn

Ø Không có van nào dẫn tương ứng là tải bị ngắt khỏi nguồn

Để đơn giản ta xét trường hợp xung áp xoay chiều ba pha tải thuần trở Các giai đoạn làm việc của các van bán dẫn có thể phân thành như sau:

0≤ ≤α 60 : Trong phạm vi này có giai đoạn ba van cùng dẫn, có giai đoạn hai van cùng dẫn nối tiếp nhau

Hình 2.18: Đồ thị điện áp trên tải khi 0

Hình 2.19: Đồ thị điện áp trên tải khi 0

Hình 2.20: Đồ thị điện áp trên tải khi 0

120

α =

Điện áp hiệu dụng trên tải:

1 5 3 3 3( 3 sin 2 os2 )

m HD

Hình 2.21: Đặc tính điện áp hiệu dụng trên tải theo góc mở α

Đối với động cơ, do có thành phần L trong tải nên các quá trình đóng mở của van phức tạp hơn Các trạng thái trên ngoài phụ thuộc vào góc mở α còn phụ thuộc vào

0 < ≤α ϕ, tải nhận đầy đủ điện áp nguồn

b ϕ α α< ≤ gh, trong một chu kì sẽ xen kẽ các giai đoạn hai van hoặc ba van dẫn Trong đó α ghxác định bởi:

3tan

arctan ( )

23

π ϕ

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

cơ từ giá trị ban đầu đến giá trị định mức

Hình 3.1: Quá trình tăng áp trên tải khi khởi động

Thời gian khởi động cũng như điện áp ban đầu khởi động phụ thuộc vào loại tải

đã chọn hoặc cũng có thể thay đổi

Giá trị mặc định: Ustart = 20%, time start = 5s

v Chức năng dừng mềm

Một số loại tải có quán tính lớn, việc cắt trực tiếp nguồn cấp khỏi động cơ gây ra các tác hại về cơ khí như các loại tải bơm, băng tải… tính năng dừng mềm để hạn chế vấn đề trên

Uload

Umax

UStop

Hình 3.2: Quá trình giảm áp trên tải khi dừng mềm

Cũng như khởi động mềm, điện áp ban đầu và thời gian dừng mềm của động cơ cũng phụ thuộc vào loại tải đã chọn hoặc cũng có thể thay đổi

Giá trị mặc định: Ustop = 10%, time stop = 10s

v Khởi động kick

Đối với các loại tải có quán tính lớn hoặc tải có tính bám với môi trường làm việc như các băng tải… đòi hỏi moment khởi động ban đầu lớn Nếu moment khởi động nhỏ không đủ thắng được moment khóa làm động cơ không quay được dẫn đến dòng khởi động sẽ tăng vọt Chức năng khởi động có kick để giải quyết vấn đề trên Ban đầu điện

áp đặt lên động cơ lớn nhằm đảm bảo moment khởi động lớn Điện áp này được duy trì trong một khoảng thời gian sau đó sẽ được giảm xuống giá trị điện áp khởi động và bắt đầu quá trình khởi động mềm

Irate

IkickKick time

Ukick = 75%, time kick = 25 chu kì lưới điện

v Chức năng giới hạn dòng khi khởi động

Một quá trình khởi động trong một thời gian dài với dòng khởi động lớn sẽ dẫn đến vấn đề phát nhiệt ảnh hưởng đến động cơ Chức năng giới hạn dòng khởi động nhằm tránh tác hại này Nếu chức năng này được cho phép thì khi phát hiện dòng khởi động đạt tới giá trị dòng giới hạn, bộ khởi động mềm sẽ phát xung điều khiển các Thyristor sao cho điện áp trên tải được giữ ở giá trị tương ứng với dòng giới hạn đó Hết thời gian duy trì dòng giới hạn, quá trình khởi động mềm lại được tiếp tục từ giá trị điện áp tương ứng với dòng giới hạn

Hình 3.4: Đặc tính áp và dòng với chức năng khởi động có giới hạn dòng

Việc chọn dòng giới hạn cũng như thời gian duy trì dòng giới hạn phải do người

sử dụng cài đặt

v Chức năng tiết kiệm điện năng(Optimise)

Sau khi khởi động xong, nếu được cho phép thì chức năng Optimise sẽ được bắt đầu sau khoảng thời gian trễ Dwell Có thể mô tả toàn bộ quá trình làm việc của một bộ khởi động mềm thông qua đường đặc tính theo hình 3.5:

Hình 3.5: Đặc tính điện áp hiệu dụng trên tải theo thời gian

Cho phép tăng một lớp lựa chọnhoặc tăng một giá trị

Cho phép giảm một lớp lựa chọnhoặc giảm một giá trị

Chuyển đến mức menu mớihoặc lưu một thay đổi

Bắt đầu khởi động mềmhoặc bắt đầu dừng mềm

Hình 3.6: Bàn phím và chức năng của từng phím

o Cấu trúc menu

Hình 3.7: Cấu trúc menu

Sử dụng menu:

Ø Application Menu:

Menu này chứa danh sách các tải ứng dụng phục vụ cho việc cài đặt các tham số của hệ thống Chẳng hạn để chọn Crusher làm tải khởi động thì quá trình chọn có thể được miêu tả như sau:

ü Rate Current: Cài đặt giá trị dòng định mức

ü Current Limit: Cài đặt giới hạn dòng khởi động

ü Current Limit Timeout: Thời gian cho phép duy trì dòng giới hạn

- Kick Start?: Bật hoặc tắt chức năng khởi động có kick

- Kick Pedestal: Cài đặt mức điện áp cho việc kick Có giá trị mặc định là

75%

- Kick Time: Cài đặt thời gian cho việc kick tính theo đơn vị chu kì lưới

điện Giá trị mặc định là 25 chu kì lưới điện

- Dwell Time: Cài đặt thời gian delay sau khi khởi động xong và trước khi

chuyển sang chế độ Optimise

Ø Basic Menu

o Start Pedestal: Cho phép thay đổi điện áp khởi động

o Start Time: Cho phép thay đổi thời gian khởi động

o Stop Pedestal: Cho phép thay đổi điện áp dừng

o Stop Time: Cho phép thay đổi thời gian dừng

o Protection: Cho phép truy nhập tới menu con Protection Menu này có chức năng chọn chế độ chạy của động cơ sau quá trình khởi động

§ Full: Cho phép chạy full áp không bypass sau khi khởi động xong Trong chế độ này Thyristor được mở hoàn toàn

§ Optimise: Cho phép chạy optimising sau khi khởi động xong Chế

độ này được chọn là mặc định

§ Bypass: Cho phép chạy bypass sau khi khởi động xong

Application Advanced Start and ready

Monitoring

Protection Start Pedestal

▼

enter

#

Full Optimise

Hình 3.9: Chọn chế độ chạy của động cơ sau khi khởi động

Ø Monitoring Menu:

Có chức năng hiển thị một số thông số làm việc của bộ điều khiển cũng như động cơ:

o Current: Hiển thị dòng qua động cơ

o Power: Hiển thị công suất động cơ

o Temperature: Nhiệt độ bộ tản nhiệt

o Voltage Supply: Điện áp làm việc

Ø Parameter Menu

Lấy lại các tham số mặc định của hệ thống

Hình 3.10: Lấy lại tham số mặc định của hệ thống

Ø About: Mang thông tin về phiên bản phần mềm

Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển khởi động mềm HS2P-200