Luận văn tìm hiểu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và ứng dụng trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN CƠNG NGHIỆP BÁO CÁO TƠT NGHIỆP Đề Tài : TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN DƯ XỨNG Sinh viên thực : HUỲNH CÔNG TRUYỀN MSSV : 97202456 Tp - Hồ Chí Minh Tháng 02 - 2001 Trang MỤC LỤC TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ỨNG DỤNG LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I.CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM CHƯƠNG 18 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH ROTO 18 CHƯƠNG 23 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI SỐ ĐÔI CỰC 23 NGUYÊN LÝ KHI THAY ĐỔI SỐ ĐÔI CỰC 23 CHƯƠNG 34 ĐIỀU CHỈNH 34 TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG CUỘN KHÁNG BẢO HÒA 34 I.KHÁI NIỆM VỀ CUỘN KHÁNG BẢO HÒA 34 IV NHẬN XÉT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 41 Nhận Xét 41 CHƯƠNG 42 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP 42 I NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH 42 CHƯƠNG 48 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ NGUỒN 48 I NGUYÊN LÝ VÀ QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH KHI THAY ĐỔI TẦN SỐ 48 Từ biểu thức: 48 CHƯƠNG 56 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỐI TẦNG 56 PHƯƠNG PHÁP NỐI TẦNG DÙNG HỆ THỐNG VAN MÁY ĐIỆN 56 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU TAM KHẢO 61 Trang Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM - 1989 61 NGUYỄN DƯ XỨNG 61 Máy Điện - Tập 61 Đại Học Bách Khoa - 1981 61 Người dịch: LÊ VĂN D OANH 61 NXB – GD 1993 61 Nhà Xuất Bản Giáo Dục – 2000 62 VŨ QUANG HỒI 62 Trang LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Thầy NGUYỄN DƯ XỨNG nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành nhiệm vụ luận án Các thầy cô trường đã tạo điều kiện cho em trình làm đồ án tốt nghiệp Các bạn sinh viên lớp 97ĐKC bạn khác góp phần ý kiến cho đồ án LỜI NĨI ĐẦU Trong sản xuất cơng nghiệp đại, để nâng cao suất, hiệu suất sử dụng máy, nâng cao chất lượng sản phẩm phương pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ khơng thể Trang thiếu Vì nhiều loại động điện chế tạo hồn thiện cao Trong động điện khơng đồng chiếm tỉ lệ lớn công nghiệp, có nhiều ưu điểm bật như: giá thành thấp, dể sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành thấp, Ngày nay, ứng dụng tiến khoa học kỹ thuật điện tử, phát triển cơng nghiệp, kỹ thuật tự động hố sinh hoạt nhân dân mà phạm vi sử dụng động động không đồng rộng rải Trong thực tế, để đáp ứng yêu cầu sản xuất, làm việc nhà máy, phân xưởng với yêu cầu điều chỉnh tốc độ động phạm vi Điều chỉnh tốc độ động phương pháp điều chỉnh nhân tạo nhằm thay đổi tốc độ hệ thống, cấu sản xuất theo u cầu cơng nghệ Đề tài tìm hiểu phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng trình bày sau: Nguyên lý điều chỉnh, sơ đồ ứng dụng công nghiệp Cùng với hướng dẫn nhiệt tình Thầy NGUYỄN DƯ XỨNG, em rút vấn đề cần sử dụng với phương pháp điều chỉnh thích hợp kinh tế Nội dung tập luận án gồm bảy chương: Chương 1: Khái Quát Về Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Chương 2: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Điện Trở Phụ Mạch Roto Chương 3: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Số Đôi Cực Chương 4: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Khơng Đồng Bộ Bằng Cuộn Kháng Bảo Hịa Chương 5: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Điện Áp Chương 6: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Tần Số Chương 7: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Phương Pháp Nối Tầng Trong trình tìm hiểu nghiên cứu thực đề tài, em cố gắng trình bày vấn đề phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng Nhưng thời gian giới hạn luận án tốt nghiệp, phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm kiến thức hạn chế nên tập luận án khơng tránh khỏi thiếu sót Mong thầy bạn đóng góp, giúp đỡ Qua đề tài luận án em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn NGUYỄN DƯ XỨNG Thầy cô khoa điện bạn sinh viên tận tình giúp đỡ Tp HỒ CHÍ MINH ngày tháng năm 2001 Trang Sinh viên thực hiện: HUỲNH CÔNG TRUYỀN CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I.CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM I.1 Cấu Tạo 1.Cấu tạo phần tĩnh (stato) Gồm vỏ máy, lỏi sắt dây quấn a) Vỏ máy: Thường làm gang Đối với máy có cơng suất lớn (1000 kw), thường dùng thép hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định không dùng để dẫn từ b) Lỏi sắt: Được làm thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại Lỏi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lỏi sắt từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên, thép kỹ thuật điện có phủ lớp sơn cách điện Mặt lỏi thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn c) Dây quấn : Dây quấn đặt vào rảnh lỏi sắt cách điện tốt với lỏi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch 120 o điện Cấu tạo phần quay (Roto) a) Trục : Trang Làm thép, dùng để đở lỏi sắt roto b) Lỏi sắt: Gồm thép kỹ thuật điện giống phần stato Lỏi sắt ép trực tiếp lên trục Bên ngồi lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn c) Dây quấn roto: Gồm hai loại: Loại roto dây quấn loại roto kiểu lồng sóc • Loại roto kiểu dây quấn : Dây quấn roto giống dây quấn stato có số cực số cực stato Các động công suất trung trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp để giảm đầu nối dây kết cấu dây quấn roto chặt chẽ Các động công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn ba pha roto thường đấu hình (Y) Ba đầu nối vào ba vòng trượt đồng đặt cố định đầu trục Thông qua chổi than vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính mở máy điều chỉnh tốc độ • Loại roto kiểu lồng sóc: Loại dây quấn khác với dây quấn stato Mỗi rảnh lỏi sắt đặt dẫn đồng nhôm nối tắt lại hai đầu hai vịng ngắn mạch đồng nhơm, làm thành lồng, người ta gọi lồng sóc Dây quấn roto kiểu lồng sóc khơng cần cách điện với lỏi sắt Khe hở: Khe hở động khơng đồng nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm) Do roto khối trịn nên roto I.2 Đặc Điểm Của Động Cơ Không Đồng Bộ - Cấu tạo đơn giản - Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha - Tốc độ quay roto nhỏ tốc độ từ trường quay stato n < n1 Trong đó: n tốc độ quay roto n1 tốc độ quay từ trường quay stato (tốc độ đồng động ) II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, động sinh từ trường quay Từ trường quét qua dẫn roto, làm cảm ứng dây quấn roto sức điện động E2 sinh dòng điện I2 chạy dây quấn Chiều sức điện động chiều dòng điện xác định theo qui tắc bàn tay phải M n1 Trang Hình.1-1 Sơ đồ nguyên lý động khơng đồng Chiều dịng điện dẫn phía roto hướng từ ngồi, cịn dịng điện dẫn phía roto hướng từ ngồi vào Dịng điện I2 tác động tương hổ với từ trường stato tạo lực điện từ dây dẫn roto mômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường Tốc độ quay roto n nhỏ tốc độ từ trường quay stato n1 Có chuyển động tương đối roto từ trường quay stato trì dịng điện I2 mơmen M Vì tốc độ roto khác với tốc độ từ trường quay stato nên gọi động không đồng Đặc trưng cho động không đồng ba pha hệ số trượt: S = n1 − n n1 (1-1) Trong đó: n tốc độ quay roto f1 tần số dịng điện lưới P số đơi cực n1 tốc độ quay từ trường quay (tốc độ đồng động cơ) n1 = 60 f p (1-2) Khi tần số mạng điện thay đổi n1 thay đổi làm cho n thay đổi Khi mở máy n = S = gọi độ trượt mở máy Dòng điện dây quấn tư trường quay tác dụng lực tương hổ lên nên roto chịu tác dụng mơmen M từ trường quay chịu tác dụng mômen M theo chiều ngược lại Muốn cho từ trường quay với tốc độ n1 phải nhận cơng suất đưa vào gọi cơng suất điện từ Pđt = Mω1 = M 2πn1 60 (1-3) Khi cơng suất điện đưa vào: P1 = 3.U.I cosϕ (1-4) Trang Ngoài thành phần cơng suất điện từ cịn có tổn hao điện trở dây quấn stato Δ P d = 3r I (1-5) Tổn hao sắt: Δ P st = Δ P P ñt = P − Δ P ñt2 π−nΔ P st P ' = M ω = M (1-6) (1-7) 60 Công suất trục là: Công suất nhỏ cơng suất điện từ cịn tổn hao dây quấn roto: P = P ñt − Δ P d (1-8) Δ P d = m I r Trong đó: (1-9) m2 số pha dây quấn roto Vì p’2 < pđt n < n1 Cơng suất p2 đưa nhỏ p’2 cịn tổn hao ma sát trục động tổn hao phụ khác: P = P '2 = Δ P cô − Δp f (1-10) Hiệu suất động cơ: η = P P = ( ,8 ÷ ,9 ) (1-11) III CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ Các Đại Lượng a) Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng tốc độ quay roto n tốc độ từ trường quay stato n1 Ta có : Hay tính theo phần trăm: s = n1 − n n1 (1-12) Trang S oo = n1 − n 100 o o n1 (1-13) Xét mặt lý thuyết giá trị S biến thiên từ đến từ đến 100 o/o Trong : 60 f p n = n (1 − s ) n1 = (1-14) (1-15) b) Sức điện động mạch roto lúc đứng yên Trong đó: E 20 = , 44 K f 20 W 2Φ m (1-16) φ m trị số cực đạïi từ thông mạch từ K2 hệ số dây quấn roto động f20 tần số xác định tốc độ biến đổi từ thông quay qua cuộn dây, roto đứng yên nên: f 20 = pn 60 (1-17) f20 với tần số dòng điện đưa vào f1 c) Khi roto quay: Tần số dây quấn roto là: f 2s = n1 − n (n1 − n ) p = n1 60 X n1 p 60 (1-18) (1-19) Vậy f2s = s.f1 Sức điện động dây quấn roto lúc là: E s = 4, 44 f sW K Φ m (1-20) Trang 10 Với f2s = s.f1 vào (1-19), ta được: E s = , 44 f 1W K Φ m S (1-21) 2.Phương Trình Cơ Bản Của Động Cơ Khơng Đồng Bộ Ba Pha a) Sơ đồ đẳng trị pha U1~ o o o I 1↓ • • I 2↓ • • ĐKB I1→ o • • U1 rf x1 I 2→ x'2 r1 Io↓ xo r’2/s ro o a) b) Hình 1-2 a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ đẳng trị pha động không đồng Trong đó: U1 điện áp pha đặt lên cuộn stato x1, r1, I1 điện kháng , điện trở, dòng điện mạch từ hóa x’2, r’2, I’2 điện kháng, điện trở, dòng điện pha cuộn dây roto qui đổi stato I’2 = KI I2 (1-22) Với KI = 1/KE , hệ số biến đổi dòng điện KE = U1đm/E2đm (1-23) U1đm Điện áp định mức đặt lên stato E2đm Sức điện động định mức roto (1-24) Trang 11 r’2 = kr r2 x’2 = kx x2 , với kx = kr = k2E (1-25) S độ trượt động n1 − n n1 S = Trong đó: n tốc độ quay roto động n = n1(1-S) (1-26) (1-27) n1 tốc độ quay đồng động n1 = 60 f p (1-28) a) Phương trình đặc tính tốc độ Theo sơ đồ đẳng trị pha hình (1-2), ta có biểu thức dịng điện roto qui đổi stato I '2 = U r '2 (r1 + ) + ( x + x '2 ) S (1-29) Khi tốc độ động n = , theo (1-26) ta có s =1 Nếu điện áp đặt lên cuộn stato U1 = const biểu thức (1 –29) quan hệ dịng điện roto qui đổi stato I’2 với độ S hay với tốc độ n Do biểu thức (1-29) phương trình đặc tính tốc độ b) Phương trình đặc tính Cơng suất điện từ động Pñt = 3I '2 r'2 s (1-30) Mặt khác: (1-31) Trang 12 Pđt = Mđt n1 9,55 Do đó: M ñt = I '2 r '2 s n1 , 55 (1-32) Mđt mômen điện từ gồm hai phần : Phần nhỏ tổn thất cuộn dây tổn thất ma sát ổ bi, ký hiệu ΔM Phần lớn biến thành mômen quay động M (1-33) M ñt = M + Δ M Mà M >> ΔM ,ta bỏ qua ΔM Vậy Mđt ~ M Khi : M đt = M = I '2 r '2 s n1 , 55 (1-34) Thay I’2 từ (1-26) vào (1-34), ta M = 3U 1r '2 s n1 9,55 ⎡⎛ ⎤ r '2 ⎞ r + + ( x + x '2 ) ⎥ ⎟ ⎜ ⎢ s ⎠ ⎢⎣⎝ ⎥⎦ (1-35) Biểu thức (1-35) phương trình đặc tính Được biểu diễn quan hệ M = f(n) hình 1-3 Giá trị S biến thiên từ - ∞ đến + ∞ mơmen quay có hai giá trị cực đại gọi mômen tới hạn (Mt) Lấy đạo hàm mômen theo hệ số trượt cho dM/ds = Ta có hệ số trượt tương ứng với mơmen tới hạn Mt gọi hệ số trượt tới hạn St = ± r '2 r12 + ( x1 + x'2) = ± r '2 r12 + xn (1-36) Trang 13 Do ta biểu thức mơmen tới hạn : ± 3U Mt = n1 (± r1 + , 55 (1-37) r12 + xn ) Giải phương trình (1-35), (1-36), (1-37) đặt : ε= r '2 r1 + x 2tn(1 + ε ) 2M M = (1-38) s st + + 2ε st s (1-39) Ta dạng đơn giản phương trình đặc tính cơ: n n1 nđm +s s=0 St Hình 1-3 Đặc tính động không đồng n= M Mt Mđm Nhận thấy dạng gần -n phương trình đặc tính sau: Đối với động roto lồng +s sóc, động có cơng suất lớn r1 n2 > n3 Khi Mc số động làm việc xác lập tương ứng với điểm a, b, c, d Tốc độ động thấp tổn hao lớn, độ cứng đường đặc tính bị giảm Khi cho điện trở phụ vào lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào trị số phụ tải phụ tải lớn phạm vi điều chỉnh hẹp II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTO BẰNG CÁC VAN BÁN DẪN Phương pháp điều chỉnh tốc độ với ưu điểm dễ dàng tự động hóa Điện trở mạch ro to động khơng đồng bộ: r2 = r2d + rf (2-2) Trong đó: r2d điện trở dây quấn roto rf điện trở phụ mắc thêm vào mạch roto Mômen động không đồng tính theo dịng điện roto là: M= 3I 2 r2 n.s (2-3) Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch roto mơmen tới hạn động khơng đổi cịn độ trượt tới hạn tỉ lệ bậc với điện trở Nếu xem đoạn đặc tính làm việc động khơng đồng bộ, tức đoạn có độ trượt S = đến S= St thẳng điều chỉnh điện trở, ta viết: Trang 19 s = si r2 , M = const r 2d (2-4) Trong đó: S độ trượt điện trở mạch roto r2 Si độ trượt điện trở mạch roto r2d thay (2- 4) vào (2-3), ta biểu thức mômen M= 3I 2 r d n.si (2-5) Nếu giữ dịng điện roto khơng đổi mơmen không đổi không phụ thuộc vào tốc độ động Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở mạch roto phương pháp xung hình 2-2 U1 ~ o o o • • Rc • ĐKB • D1 D3 • U•2 Ro D4 • D6 • D5 • CL T D2 L Ro T1 3Ro t 1Ro Trang 20 t C T2 Do tn td L1 1Ro