đồ án tổng hợp điện cơ

đồ án

Chương I: Tổng quan và phân tích yêu cầu công nghệ 1) Giới thiệu chung Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất. Trong thế kỷ XIX đã lần lượt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Điều này hầu như đã được thế giới coi như là một quy luật phân bổ hiển nhiên. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. 2) Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha 1.2.1. Định nghĩa Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc độ quay của rotor khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy. H1.1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 1.2.2. Cấu tạo a)Phần tĩnh (Stato) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi sắt và dây quấn • Vỏ máy Vỏ máy làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép Stator,vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất nhỏ thì vỏ làm bằng nhôm, máy có công suất trung bình và lớn vỏ làm bằng gang. • Lõi sắt Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại • Dây quấn: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mô bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stator b) Phần quay (roto): Gồm có : Lõi thép, trục máy và dây quấn • Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình tròn và mặt ngoài được dập thành rãnh để đặt cuộn dây, ở giữ được dập lỗ tròn để lồng trục máy. • Trục máy: làm bằng thép tốt, được lồng cứng với lõi thép.Trục được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy. • Dây quấn: có hai loại + Loại lồng sóc: dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc bằng nhôm đặt trong các rãnh của rotor, hai đầu được nối với hai vòng ngắn mạch cũng bằng đồng thau hoặc bằng nhôm. +Loại dây quấn: dây quấn giống như dây quấn stator và thường được đấu hình sao.Ba đầu được đưa ra 3 vành trượt bằng đồng trên trục máy, vành trượt này cách điện với nhau và cách điện với trục máy. c) Khe hở không khí Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. • Đặc điểm -Cấu tạo đơn giản -Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha. -Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n < n1 Trong đó : n : tốc độ quay của rô to n 1 : tốc độ quay của từ trường quay 1.2.3 Nguyên lý làm việc Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn rotor làm cảm ứng trên dây quấn rotor một sức điện động e 2 , từ đó sinh ra dòng điện i 2 chạy trong dây quấn rotor. Dòng điện i 2 tác động tương hỗ với từ trường stator tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stator n 1 .Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay stator nên gọi là động cơ không đồng bộ 1.2.4 Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản • Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và tốc độ quay của từ trường quay n 1 . 1 1 n n s n − = 0 1s ≤ ≤ 60* 1 1 f p n = 1*(1 )n n s = − • Sức điện động Khi rôto đứng yên : 20 20 2 2 4.44* * * * m f K W E = Φ Khi rôto chuyển động : 2 2 2 2 4.44* * * * m s s f K W E = Φ Trong đó : K2 : Hệ số cuốn dây f 20 = f 1 f 2s = s * f 1 W 2 : số vòng dây Φ m : Từ thông • Công suất Công suất điên đưa vào : * * *cos1 3 U IP ϕ = Tổn hao điện từ : ∆P dt Tổn hao sắt : ∆P st Công suất điện từ : 2 * 1 * 1 * 60 dt n M M P π ω = = = P1 - dt P ∆ - st P ∆ Tổn hao do dây quân rô to : 2d P ∆ Công suất cơ ở trục : '2 *P M ω = = dt P - 2d P ∆ Tổn hao do ma sát : ms P ∆ Công suất cơ đưa ra : P2 = P’2 - ms P ∆ P2 = 1P - dt P ∆ - st P ∆ - 2d P ∆ - 2d P ∆ - ms P ∆ Hiệu suất : 1 2 P P η = • Các phương trình cơ bản +Phương trình đặc tính cơ điện ' 1 1 2 2 2 ' 2 2 2 1 1 1 * ( ) nm I U I I R X R R X s µ µ µ               = + = + + + + 1 2 2 ' 1 2 ' 2 2 2 1 ( ) nm U I R X U I R R X s µ µ µ = + = + + Với : 1 2 X X X µ σ σ = + +Phương trình đặc tính cơ '2 ' 1 2 ' 2 2 2 1 1 2 1 2 1 ' ' 2 2 2 2 2 1 1 ' 2 3* * 2* *(1 ) 2* 2* * * ( ) 3* 2* 1*( 1 ) 0 f th th th th nm th th f th nm nm nm U R M M S S S S R S R X S S S S s U R R X R R Sth X R X R R M M ε ε ω ω ε + = ≈   + + + + +     = + + = ± ≈ + ≈ = = • Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ: + Ảnh hưởng của điện áp lưới: Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng và độ trượt tới hạn không đổi còn mô men tới hạn thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp lưới.Nếu điện áp đặt vào động cơ giảm thấp quá có thể làm cho mô men khởi động của động cơ giảm thấp và động cơ không khởi động được. + Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi thay đổi điện trở hoặc điện kháng mạch stato thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi còn độ trượt tới hạn và mô men tới hạn đều thay đổi. + Ảnh hưởng của số đôi cực p: Khi thay đổi số đôi cực P thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi còn độ trượt tới hạn và mô men tới hạn đều thay đổi. + Ảnh hưởng tần số. Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi. ' 2 max max 1 max 2 ' 1 ' '2 2 ' max 1 1 2 '2 max 1 1 * * * M M U C const f M M M U f M const M M U f M = = ⇒ = = = = ' ' ' 1 1 1 1 * U f M U f M = Luật điều khiển giữ cho Môment không đổi : M=const ' ' 1 1 1 1 1 1 U f U f U const f = = Luật điều khiển giữ cho công suất không đổi :P=const ' ' 1 1 ' ' 1 1 1 1 M f M f U f U f = = Chương II Xây dựng động cơ dị bộ trên các hệ tọa độ và tổng hợp các bộ điều khiển 1)Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha a) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f 1 Xuất phát từ biểu thức ω= ω 0 (1-s) = 2Πf 1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần số f 1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ.Do máy điện được thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnh hưởng đến chế độ công tác của máy. Vì U 1 =E 1 = 4,444.f 1 .K tp1 .W 1 .Ф.10 -8 = KФ.f 1 Nếu điện áp U 1 = Const thì khi f 1 tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiện tượng giảm mô men trong máy.Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dòng điện.Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện.Còn [...]... L 3 mM = pc m rd isq 2 Lr Từ (2-17) và (2-18) ta vẽ đợc sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rôto dq: 4.3) Cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ Trớc đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo công thức (2-18) : mM = K m rd isq để có thể điều khiển đợc chính xác tơng tự nh động cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ r và thành... nh hệ điều khiển động cơ một chiều Hình 2-9: Mô hình điều khển động cơ một chiều Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tơng tự cho động cơ không đồng bộ nhng trên toạ độ dq Nh vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 23-2), lợng đặt là và isd : R Risq Risd * Isd* Isq* Nhánh kích từ Nhánh mômen Hình 2-10: T tởng điều khiển ĐCKĐB Nhng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và các... tả động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T theo công thức: 1 1 1 = + T Ts Tr (p+ 1 1 1 1 )is = r + r + u s T Tr Lm Lm Ls (p+ 1 1 1 1 )is = r + r + u s T Lm LmTr Ls (1 + Tr p ) r = Lm is Tr r (1 + Tr p ) r = Lm is + Tr r 1- LmTr T 1+pT 1 Ls Pc pJ 1- LmTr T 1+pT 1 Ls 1- Lm Tr 3p 2Lr us us is is r r mM mC Lm Lm 1 1+pTr Từ (2-13) ta lập đợc mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ... của mặt phẳng phức trùng với trục pha a +1() +j() is a.ib a2 ic Ia is is Hình2-1: Tơng quan giữa hệ toạ độ và toạ độ ba pha a,b,c i s Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is Véc tơ không gian của dòng điện stator: is = a=e 2 (ia + aib + a 2 ic ) 3 j 2 3 Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: is,is i s = i s + ji s u u 1 i... 2)Mụ t toỏn hc ng c khụng ng b ba pha Đối với các hệ truyền động điện đã đợc số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần ngời ta sử dụng phơng pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành Nh vậy cần mô tả động cơ thành các phơng trình toán học Quy ớc : A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c... phụ thuộc thời gian: = 0+(t)dt Kết luận : nếu mô tả toán học nh trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt đi Tới năm 1959 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và Park (Mỹ) đa ra phép biến đổi d, q 3) Phộp bin i tuyn tớnh trong khụng gian vecto Trong máy điện ba pha thờng dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian Lấy một mặt phẳng... lập đợc mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ nh sau: Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định 4.2) Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq Tơng tự nh trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phơng trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau: - Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato - Hệ toạ độ chuyển động... của động cơ trên các hệ toạ độ Các phơng trình chuyển đổi hệ toạ độ: a,b,c : i s = i a i s = 1 3 (i a + 2ib ) d,q isd = iscos + issin isq = iscos - issin a,b,c: i a = i s 1 ( i s + 3.i s ) 2 1 ic = (i s 3.i s ) 2 ib = d,q is = isdcos - isqsin is = isdsin + isqcos 4) H phng trỡnh c bn ca ng c trong khụng gian vecto 4.1) Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định Phơng trình điện áp stato... các cuộn dây stator Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vợt góc - Tham số không đổi - Mạch từ cha bão hoà - Khe hở không khí đồng đều - Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3) U k = I k Rk + d k dt Phơng trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k nh sau: Trong đó :k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator :k là từ thông cuộn dây thứ k k=Lkjij Nếu i=k: tự cảm,... isdcos - isqsin is = isdsin + isqcos 4) H phng trỡnh c bn ca ng c trong khụng gian vecto 4.1) Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định Phơng trình điện áp stato giữ nguyên, còn phơng trình điện áp rôto có thay đổi do rôto quay với tốc độ so với stato nên có thể nói hệ toạ độ quay tơng đối với rôto tốc độ - s s s s s u = R i + d s s dt rs 0 = R i + d j rs dt s r r s . động cơ giảm thấp quá có thể làm cho mô men khởi động của động cơ giảm thấp và động cơ không khởi động được. + Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato: Khi thay đổi điện trở hoặc điện kháng. chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. 2) Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha 1.2.1. Định nghĩa Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều. trượt bằng đồng trên trục máy, vành trượt này cách điện với nhau và cách điện với trục máy. c) Khe hở không khí Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất