Hiện nay có rất nhiều hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ, chằng hạn như: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong đó hệ thống điều tốc biến tần có hiệu suất cao nhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và là phương hướng phát triển chủ yếu của điều tốc xoay chiều. Trong giới hạn đồ án này chỉ đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần và ứng dụng của nó trong băng chuyền công nghiệp.
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Giới thiệu chung
1.1.1 Khái niệm máy điện không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của roto (n) khác với tốc độ từ trường quay trong máy (n1). Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: Động cơ và máy phát.
Máy phát không đồng bộ ít được dùng vì đặc tính làm việc không tốt so với máy phát đồng bộ Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sinh hoạt Động cơ không đồng bộ có các loại: động cơ không đồng bộ 3 pha, 2 pha và 1 pha. Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ là:
+ Công suất cơ có ích trên trục: Pđm
+ Điện áp dây stato: Uđm
+ Dòng điện dây stato: Iđm
+ Tốc độ quay roto: nđm
+ Hệ số công suất: cos φ đm
1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc a Cấu tạo: Động cơ không đồng bộ 3 pha là một loại của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chủ yếu: stato và roto.
+ Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ, vỏ máy thường làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000 kW) thường dùng theo tấm hàn lại thành vỏ Tùy theo cách làm nguội của máy mà vỏ máy cũng khác nhau.
+ Lõi thép: làm nhiệm vụ dẫn từ Lõi thép có dạng hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm được dập rãnh bên trong ghép lại Khi có đường kính ngoài lỗi thép nhỏ hơn 990 mm dùng cả tấm thép tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thài khối tròn Mỗi lá thép kỹ thuật đều có sơn phủ cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.
+ Dây quấn: được làm bằng dây điện từ lõi đồng có bọc cách điện được đặt trong các rãnh của lõi thép và cách điện tốt với lõi thép.
+ Lõi thép: người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện stato Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy Phía ngoài của là thép được xẻ rãnh để đặt dây quấn
Loại rôto kiểu lồng sóc: dây quấn là các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong các rãnh của lõi thép, hơi dài hơn lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc.
Loại rôto kiểu dây quấn: rôto có dây quấn giống như dây quấn stato, thường được đấu hình sao, còn 3 đầu kia được đấu vào vành trượt thường được làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm của động cơ rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch
Hình 1.1: Sơ đồ nối dây máy điện không đồng bộ ba pha roto dây quấn b Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha
Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n 1`f p Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng các sức điện động (chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải) Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto
Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto kéo rôto quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ n.
Chú ý: Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta phải căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều từ trường
Tốc độ n của máy luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn stato không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0. Độ lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2 n2 = n1 – n (1.1)
Hệ số trượt của tốc độ là: s=n 2 n 1
Khi rôto quay định mức s = 0,02 0,06 Tốc độ động cơ là: n=(1−s)n 1 =(1−s)60f p (1.3)
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
1.1.3 Đặc điểm và ứng dụng a Đặc điểm:
- Mômen mở máy phải lớn để thích ứng với phụ tải.
- Dòng mômen phải nhỏ để khỏi ảnh hưởng đến các phụ tải khác.
- Thời gian mở máy nhỏ để có thể làm việc được ngay.
- Thiết bị mở máy đơn giản, rẻ tiền và ít tốn năng lượng. b Ứng dụng: Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt:
- Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụở các nhà máy công nghiệp nhẹ
- Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm
- Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa
Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
1.2.1 Sơ đồ thay thế một pha
Hình 1.3: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ 3 pha
+ Rm, Xm, Im lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện của mạch từ hóa
+ R1, X1, I’2 lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện mạch Stato
+ U1P: Điện áp pha đặt vào Stato
+ X ’ 2, R2 ’/s lần lượt là điện trở, điện kháng Rôto đã quy đổi về Stato
1.2.2 Phương trình đặc tính cơ Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha ta sử dụng sơ đồ thay thế Trên (hình 1.3) là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ ba pha Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây:
- Coi 3 pha là đối xứng
- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bão hòa nên điện kháng X1, X2 không đổi
- Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato của động cơ
- Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép
- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha
Khi cuộn dây stato được cấp điện với điện áp định mức U1f trên một pha mà giữ yên rôto(không quay) thì mỗi pha của cuộn dây rôto sẽ xuất hiện sức điện động E2pha.đm theo nguyên lý máy biến áp Hệ số quy đổi sức điện động là:
Từ đó có hệ số quy đổi của dòng điện: K I = K 1
Hệ số quy đổi trở kháng: K R =K X =K E
Với các hệ số quy đổi nảy, các đại lượng điện ở mạch rôto có thể quy đổi về phía mạch stato theo cách sau:
Dòng điện: I ’ 2 = KI I2 Điện kháng: X ’ 2 = KX X2 Điện trở: R ’ 2 = KR R2
Dòng điện rôto quy đổi về phía stato có thể tính từ sơ đồ thay thế:
Khi động cơ hoạt động, công suất điện từ P1,2 từ stato chuyển sang rôto thành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt P2 đốt nóng cuộn dây
Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mômen điện từ Mđt của động cơ bằng mômen cơ Mcơ
P 1,2 =M ω s =M ω+∆ P 2 M= ∆ P 2 ω s −ω=∆ P 2 s ω (1.7) Công suất nhiệt cuộn dây 3 pha là:
Thay (1.8) vào (1.5) sau đó thay vào (1.7), ta được:
Trong đó: Xeq = X1 + X ’ 2 là điện kháng ngắn mạch
Phương trình (1.9) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như (hình 2) Có thể xác định được điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải dM dS =0 ta sẽ được trị số M và S tại điểm cực trị ký hiệu là Mth và Sth (mômen và độ trượt tới hạn) cụ thể là: s th =± R 2 '
Thay (1.10) vào (1.9) ta có Mth :
Trong hai biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát Do đó Mth ở chế độ máy phát lớn hơn Mth ở chế độ động cơ.
Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, người ta quan tâm đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ S ≤ Sth Để đơn giản, người ta tuyến tính hóa đoạn làm việc từ ω s →ω đm như đường 1 trên ( hình 1.4 ).
Hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Ảnh hưởng của các tham số đến dạng đặc tính cơ
1.3.1 Ảnh hưởng của điện áp:
Khi điện áp đặt vào động cơ giảm:
Ta thấy mômen tới hạn giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ giảm của điện áp.
Trong khi tốc độ đồng bộ: ω s =2πnn
60 không thay đổi Độ trượt tới hạn s th = R 2 '
Mth nói lên khả năng quá tải của động cơ.
Mômen mở máy ( Mmm = K2.U 2 1P ) giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ suy giảm của điện áp.
Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha khi thay đổi điện áp Đặc tính này thích hợp với phụ tải bơm và quạt gió, không thích hợp với phụ tải không đổi Ngoài ra đối với động cơ công suất lớn với phụ tải bơm hoặc quạt gió; người ta dùng phương pháp tăng dần điện áp đặt vào động cơ để hạn chế dòng điện khi khởi động.
1.3.2 Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch Stato
- Khi thêm điện trở phụ Rf vào Stato thì ω s không đổi, độ trượt tới hạn Sth giảm, moment tới hạn Mth giảm.
- Khi thêm điện kháng phụ Xf vào mạch Stato thì tốc độ ω s không đổi, độ trượt tới hạn Sth giảm, moment tới hạn Mth giảm.
Chú ý: Nên chọn Rf và Xf sao cho có cùng một momen khởi động (Meq), thì đường đặc tính ứng với Rf nằm gần trục tung hơn vì nó có tổn thất năng lượng lớn hơn.
1.3.3 Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rôto Đối với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn người ta mắc thêm Rf vào mạch rôto để hạn chế dòng điện khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ.
Khi đưa Rf vào mạch rôto thì ω s = const; Mth = const; S th =R 2 ' +R f ' 2
R càng lớn thì S sẽ càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng mềm Khi thay đổi Rf ta được một họ đường đặc tính biến trở.
Hình 1.6: Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn roto
1.3.4 Ảnh hưởng của số đôi cực từ p Để thay đổi số đôi cực ở stato người ta thường thay đổi cách đấu dây vì: ω=ω s (1−s)=2πnf p (1−s)
Nếu thay đổi số đôi cực p thì ω o thay đổi, do đó tốc độ động cơ cũng thay đổi Còn
Sth không phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi cách đấu dây ở động cơ stato nên một số thông số như Uf , R1 , X1 có thể thay đổi và do đó tùy từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến momen tới hạn Mth của động cơ (Hình 1.7 và Hình 1.8) biểu diễn đặc tính cơ thay đổi với p=p 1
Hình 1.7: Đặc tinh cơ khi thay đổi số đôi cực, Mth = const
Hình 1.8: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực p1 = const
1.3.5 Ảnh hưởng của tần số
- Từ biểu thức ω s =2πn f 1 p ta thấy khi thay đổi tần số sẽ làm thay đổi tốc độ từ trường quay và tốc độ động cơ thay đổi.
- Xét trường hợp khi tăng tần số f1 > f1đm , từ biểu thức (1.10) biến đổi ta có
Khi tăng tần số, Mth giảm (với điện áp giữ nguyên không đổi) do vậy:
Trường hợp tần số f1 < f1đm , nếu giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn (vì tổng trở của động cơ sẽ giảm theo tần số) Do vậy khi giảm tần số cần phải giảm điện áp theo quy luật nhất định.
Hình 9 trình bày đặc tính cơ khi f1 < f1đm với điều kiện ϕ = const thì Mth giữ không đổi Ở vùng f1 > f1đm , Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
Hình 1.9: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ KĐB
Khi thay đổi tần số, dẫn đến thay đổi tốc độ đồng bộ và điện kháng Dạng đặc tính cơ thay đổi như hình 9 Việc tăng tần số nguồn cấp có thể giúp tăng tốc độ làm việc và giảm dòng điện động cơ, tuy nhiên, điều này làm giảm khả năng mang tải do mô men động cơ suy giảm, và ngược lại Do đó, trong thực tế sử dụng, khi thay đổi tần số nguồn cấp thì cũng cần thay đổi điện áp để ổn định mô men động cơ Điều này sẽ được trình bày thêm ở phần điều chỉnh tốc độ động cơ Dạng đặc tính cơ ở hình 9 cũng cho thấy, có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp nhờ có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và phù hợp với nhiều loại tải.
Khởi động và tính điện trở khởi động
- Đối với động cơ Rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động và tăng mômen khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch Rôto trong quá trình khởi động sau đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình vẽ.
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động ta có thể sử dụng sơ đồ các đặc tính đã được tuyến tính hóa trong đoạn khởi động
+ Quá trình tính toán khởi động như sau:
Bước 1: Dựa vào các thông số định mức của động cơ tiến hành vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên.
Bước 2: Chọn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất cho phép trong quá trình mở máy.
- Từ M1, M2 dóng song song với trục tung nó sẽ cắt đường đặc tính cơ tự nhiên tại a và b, đường này cắt đường thẳng song song với trục hoành xuất phát từ tại N Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động Phương pháp này vẽ giống như đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Bước 3: Xác định điện trở khởi động
Từ đồ thị ta có:
R f 21 = R2 ( Kd Kb −Kb ) = R 2 ( bd Kb ) (1.12)
R f 22 = R2 ( Kf Kb − Kd ) = R 2 ( Kb df ) (1.13)
R f 23 = R2 ( Kh− Kb Kf ) = R 2 ( Kb fh ) (1.14)
Hãm máy
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ ω của roto lớn hơn tốc độ đồng bộ ω o Khi hãm tái sinh động cơ sẽ làm việc trạng thái máy phát, sức điện động dẫn rôto E2 đổi chiều, khi đó ω>ω o
Ta thấy rằng khi chuyển sang hãm tái sinh S1 nên dòng điện rôto có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện rôto f2 = s.f1 lớn nên điện kháng X ’ 2 lớn, do đó mômen nhỏ.
Vì vậy để tăng cường mômen hãm và hạn chế dòng điện rôto ta cần đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto (đối với loại động cơ rôto dây quấn).
Trạng thái hãm động năng xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato của động cơ ra khỏi nguồn điện xoay chiều rồi đóng vào nguồn điện một chiều
Người ta chia hãm động năng của động cơ không đồng bộ thành hãm động năng kích từ độc lập và tự kích
Khi cắt stato động cơ ra khỏi lưới điện xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều. Dòng điện một chiều đi trong bộ dây stato sinh ra một từ trường đứng yên ϕ Động cơ đang quay với tốc độ , các thanh dẫn rôto cắt từ trường đứng yên sinh ra sức điện động cảm ứng E2 có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Do mạch rôto khép kín, trong thanh dẫn rôto có dòng I2 cùng chiều với E2 Tương tác giữa dòng điện I2 và từ trường đứng yên ϕ tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto làm rôto quay chậm lại và E2 cũng giảm dần.
Hãm động năng kích từ độc lập thì từ thông ϕ= const Hãm động năng tự kích từ thông ϕ = Var.
Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
Việc sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha trong các hệ thống có điều chỉnh tốc độ ngày càng phổ biến, vì các thiết bị điều khiển ngày càng phát triển về kỹ thuật điều khiển và rẻ về giá thành Việc đầu tư thiết bị điều khiển hợp lý sẽ mang lại hiệu quả đáng kể.
Phương trình đặc tính cơ trong (1.26) cho thấy: có thể có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau: Điều chỉnh phía rotor: thêm và điều chỉnh điện trở rotor (điện kháng rotor hầu như không sử dụng) Ngoài ra, còn có thêm các phương pháp điều chỉnh khác như: bơm áp rotor, công suất trượt, v.v Các phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ rotor dây quấn. Điều chỉnh phía stator: thêm điện trở hoặc điện kháng vào stator, điện áp stator, tần số nguồn cấp cho stator Do phạm vi điều chỉnh tốc độ khi thêm điện trở và điện kháng stator cũng như chỉnh điện áp stator khá hẹp khi tải hằng số, nên các phương pháp này ít được sử dụng.
1.6.1 Điều chỉnh điện trở mạch rôto
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở mạch rôto
Hình 1.12: Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện trở mạch rôto
Việc điều chỉnh điện trở rôto có thể thực hiện như hình (11) bằng cách thay đổi độ rộng xung kích cho transistor IGBT Độ rộng xung càng lớn sẽ làm cho điện trở trung bình thêm vào rôto càng nhỏ và ngược lại Đặc tính cơ khi điều chỉnh có dạng như hình 1.12
Phương pháp này chỉ có thể thực hiện đối với động cơ rôto dây quấn, trong khi loại động cơ này hiện nay ít được sử dụng Hơn nữa, tổn hao trên điện trở làm giảm hiệu suất vận hành Đây là nhược điểm chính của phương pháp này Vì vậy, tài liệu này không trình bày sâu về phương pháp thêm điện trở rôto.
1.6.2 Điều chỉnh giảm điện áp stato Ở sơ đồ mạch như hình 13(b), khi điều chỉnh góc kích của các SCR, sẽ điều chỉnh được điện áp stato của động cơ Hình 1.13(a) cho thấy đặc tính cơ khi điều chỉnh áp stato.
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp stato
(a) Đặc tính cơ, (b) Mạch động lực
Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên với cùng tần số, chỉ cần một thay đổi nhỏ của điện áp stato là làm thay đổi đáng kể mômen động cơ Khi giảm 10% điện áp, sẽ giảm 19% mô men cực đại động cơ cũng như mô men khởi động Trên đặc tính cơ cho thấy, khi hoạt động bình thường trong vùng tuyến tính, tốc độ động cơ thay đổi không đáng kể khi điện áp thay đổi Tuy nhiên, kỹ thuật này không thể dùng cho điều chỉnh tốc độ với phạm vi rộng Dù sao đi nữa, thì đây cũng là phương pháp khá tốt dùng để giảm dòng khởi động và tăng hiệu suất với điều kiện tải nhẹ, giảm tổn hao và đặc biệt là tổn hao sắt Do đó, kỹ thuật này chỉ phù hợp với điều chỉnh tốc độ dưới định mức đối với tải quạt gió hoặc máy bơm.
1.6.3 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho stato
Thông thường, động cơ làm việc ở vùng có độ trượt tốc độ nhỏ, nên tốc độ động cơ gần bằng tốc độ đồng bộ Nếu thay đổi tốc độ đồng bộ thì sẽ thay đổi được tốc độ động cơ, đặc tính cơ và đặc tính tốc độ trên hình 1.14(a) và 1.14(b) Phương pháp này có nhược điểm: khi ở vùng tần số thấp làm động cơ quá dòng, còn ở vùng tần số cao có thể làm động cơ bị suy giảm mô men như đã đề cập ở phần ảnh hưởng của tần số.
Khi tăng cao tần số, tốc độ đồng bộ tăng, mô men cực đại giảm, mômen khởi động giảm, tốc độ tại mômen cực đại tăng, dòng khởi động giảm.
Hình 1.14: Đặc tính khi thay đổi tần số
(a) Đặc tính cơ, (b) Đặc tính tốc độ
Do đó, khi tăng tần số làm giảm khả năng mang tải của động cơ và ngược lại, khi giảm tần số làm giảm điện kháng nên làm tăng dòng điện động cơ Thêm vào đó, giá trị gần đúng của mô men động cơ tỉ lệ với bình phương của tỉ số giữa điện áp và tần số nguồn cấp như sau:
Vì vậy, khi thay đổi tần số, cần phải thay đổi điện áp sao cho V/f=const nhằm giữ mô men không đổi trong giới hạn điện áp định mức Hình 1.15 là đặc tính cơ và đặc tính tốc độ khi điều khiển V/f=const.
Hình 1.15: Đặc tính điều chỉnh V/f bằng hằng số
(a) Đặc tính cơ, (b) Đặc tính tốc độ
Khi đó, mô men cực đại và dòng khởi động hầu như không đổi và đây là ưu điểm của phương pháp này.
Lưu ý: điện áp không được tăng quá 10% định mức vì những hạn chế cách điện của dây quấn.
TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHO BĂNG TẢI CÔNG NGHIỆP
Giới thiệu băng tải
2.1.1 Giới thiệu chung về băng tải
Băng tải (băng chuyền) hiểu theo một cách đơn giản là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ vị trí này sang vị trí khác trong một đường dẫn xác định trước Thay vì phải vận chuyển sản phẩm bằng công nhân vừa tốn thời gian, chi phí nhân công lại tạo ra môi trường làm việc không gọn gàng, lộn xộn thì băng chuyền tải có thể giải quyết điều đó Nó giúp tiết kiệm sức lao động con người, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động.
Việc sử dụng băng tải công nghiệp khác nhau tùy theo vị trí, loại sản phẩm đang được di chuyển, khoảng cách mà đối tượng sẽ được di chuyển Tiêu chuẩn cho băng tải được đo lường và xác định bởi tải trọng tối đa, trọng lượng của sản phẩm, số lượng các mảnh trên một đơn vị thời gian, tải trọng, tốc độ và dòng chảy của vật liệu.
Vì vậy băng tải, băng chuyền là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền lắp ráp, sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất khoa học và hiện đại, giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao cho công ty.
Theo tài liệu thiết kế băng tải, cấu tạo băng tải cơ bản gồm những bộ phận sau:
+ Khung băng tải có một kết cấu bằng vật liệu nhẹ và linh hoạt trong lắp ráp Thông thường được làm bằng vật liệu thép sơn tĩnh điện, inox hoặc nhôm định hình.
+ Động cơ băng tải: dùng để giảm tốc và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ.
+ Bộ điều khiển băng chuyền: Thường gồm có biến tần, sensor, timer, PLC
+ Dây băng tải: thường sử dụng dây PVC hoặc dây PU
+ Cơ cấu truyền động gồm: Rulo chủ động kéo, cơ cấu chống lệch băng, con lăn đỡ dây…
+ Bàn thao tác trên băng tải thường inox, hoặc bằng gỗ, phía trên có dán lớp nhựa PVC chống trầy xước cho sản phẩm
+ Hệ thống đường khí nén và đường điện có ổ cắm để lấy điện dùng cho các máy dùng trên băng tải
+ Đường điện chiếu sáng và hệ thống điều khiển khí nén để công nhân thao tác lắp ráp.
2.1.3 Các loại băng tải công nghiệp
Một số loại băng tải công nghiệp được sử dụng phổ biến hiện nay có thể kể đến:
+ Băng tải cao su: chịu nhiệt, sức tải lớn
+ Băng tải xích: Khá tốt trong ứng dụng tải dạng chai, sản phẩm cần độ vững chắc. + Băng tải con lăn gồm băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn thép mạ kẽm, băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn truyền động Tuỳ thuộc vào quy cách sản xuất của nó mà kích thước con lăn băng tải ở mỗi máy khác nhau.
+ Băng tải PVC: tải nhẹ và thông dụng với kinh tế.
+ Băng tải góc cong: chuyển hướng sản phẩm từ 30 đến 180 độ.
+ Băng tải nâng hạ: dùng vào vận chuyển hàng hoá theo phương đứng với góc nghiêng nhất định.
Do đề tài làm băng tải yêu cầu sức tải lớn nên ta chọn băng tải cao su.
Lý thuyết tính toán
Công suất làm quay trục con lăn kéo băng tải được tính theo công thức sau:
P1 là công suất cần thiết kéo băng tải không chuyển động theo phương ngang.
P2 là công suất cần thiết kéo băng tải có chất tải chuyển động theo phương ngang.
P3 là công suất kéo băng tải có tải chuyển động theo phương đứng (nếu băng tải có độ dốc đi lên; nếu băng tải vận chuyển vật phẩm đi xuống, P3 mang giá trị âm).
Các thành phần công suất được tính toán như sau:
Trong các công thức này, các đại lượng tính toán bao gồm:
+ f là hệ số ma sát của các ổ đỡ con lăn
+ W là khối lượng các bộ phận chuyển động của băng tải, không tính khối lượng vật phẩm được vận chuyển (kg)
+ Wm : Khối lượng vật phẩm phân bố trên một đơn vị dài của băng tải (kg/m) + V : Vận tốc băng tải (m/phút)
+ l : Chiều dài băng tải theo phương ngang (m)
+ l0 : Chiều dài băng tải theo phương ngang được điều chỉnh (m)
Các công thức tính phụ trợ:
+ Wl : Khối lượng phân bố của băng tải (kg/m)
+ Wc : Khối lượng các chi tiết quay của một cụm các con lăn đỡ tải (kg)
+ Wr : Khối lượng các chi tiết quay của một cụm các con lăn đỡ nhánh băng tải đi về
+ lc : Bước các con lăn đỡ tải (m)
+ lr : Bước các con lăn đỡ nhánh chạy không (m)
+ α : Góc dốc của băng tải
Ghi chú: Các giá trị f và l0 đi với nhau theo cặp Nếu lấy f khác với giá trị trong bảng, có thể tính l0 theo công thức: l 0 = 0,77931 f−0,006436+15,93 (2.7)
* Các số liệu tính toán tham khảo bảng, phần Phụ Lục.
Tính toán cho một ứng dụng băng tải cụ thể
Cho một băng tải cố định chuyển động theo phương ngang có:
+ Lưu lượng tải Qt = 1000 (tấn/giờ)
+ Đường kính trục rulô D = 400 (mm)
+ Chiều dài băng tải theo phương ngang được điều chỉnh l0 = 66 (m)
Công suất làm quay trục con lăn kéo băng tải là:
Suy ra công suất động cơ: P motor ≥P η,52
Vậy ta chọn động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc HEM 3K160M4, 4 cực, 20Hp, 15 kW.
Công suất Tốc độ Điện áp Dòng điện
Bội số Mô men cực đại
Bội số Mô men khởi động
Bội số dòn g điệ n khở i độn g
Khối lượng (kg) kW HP vg/ph
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA BẰNG BIẾN TẦN
Giới thiệu chung về biến tần
Biến tần là thiết bị có khả năng chuyển đổi điện áp và tần số thích hợp Mục đích: Điều khiển được tốc độ động cơ 3 pha trong dải tần số giới hạn của cả biến tần và motor.
Lưu ý biến tần chỉ có thể sử dụng cho motor 3 pha, Nếu dùng cho những thiết bị khác có thể gây cháy nổ cả thiết bị lẫn biến tần Thường thì ngõ ra của một số dòng biến tần hiện nay có tần số lên tới cả 1000Hz Chính vì vậy có thể tạo ra tốc độ rất cao cho motor.
Biến tần được sử dụng trong rất nhiều loại máy móc khác nhau như: Băng tải, máy nén khí, cầu trục, máy in ống đồng… Với mục đích chính là tạo ra tốc độ cần thiết cho tốc độ của động cơ 3 pha.
Lựa chọn biến tần
Theo chương 3, ta chọn động cơ có công suất P = 20 HP = 15 kW nên biến tần được chọn cần có công suất lớn hơn khoảng 20% tương đương Pbt = 15 x 120% = 18 kW, để đảm bảo sự ổn định trong khi vận hành Vì vậy ta có thể chọn biến tần có công suất lớn hơn 18 kW. Ở đây, ta lựa chọn biến tần Siemens MICROMASTER 440 (0,12 kW – 250 kW)
Hướng dẫn sử dụng biến tần Siemens điều khiển tốc độ động cơ 3 pha
3.3.1 Các nút và chức năng
Màn hình LCD hiển thị các chế độ cài đặt hiện hành của bộ biến tần.
Khởi động bộ biến tần Ấn nút này làm cho bộ biến tần khởi động Nút này không tác dụng ở mặc định
BOP: P0700 = 1 hoặc P0719 = 10 16AOP: P0700 = 4 hoặc P0719 = 40…46 trên đường truyền BOP
P0700 = 5 hoặc P0719 = 50…56 trên đường truyền COM
OFF1: Ấn nút này khiến động cơ dừng theo đặc tính giảm tốc được chọn Kích hoạt nút: hãy xem nút “Khởi động bộ biến tần”
OFF2: Ấn nút này hai lần (hoặc ấn một lần và giữ một khoảng thời gian) khiến động cơ dừng tự do BOP: Nút này luôn luôn có tác dụng. Đảo chiều Ấn nút này làm động cơ đảo chiều quay Đảo chiều được hiển thị bằng dấu (-) hoặc điểm chấm nháy Nút này không tác dụng ở mặc định
Kích hoạt nút: hãy xem nút “Khởi động bộ biến tần”
Chạy nhấp động cơ Ở trạng thái sẵn sàng chạy, khi ấn nút này, động cơ khởi động và quay với tấn số chạy nhấp được cài đặt trước Động cơ dừng khi thả nút này ra Ấn nút khi động cơ đang làm việc không có tác động gì.
Nút này có thể dùng để xem thêm thông tin
Khi ta ấn và giữ khoảng 2 giây nút này hiển thị các thông tin sau, bắt đầu từ bất kỳ thông số nào trong quá trình vận hành:
1 Điện áp một chiều trên mạch DC (hiển thị bằng d- đơn vị V).
4 Điện áp ra (hiển thị bằng o- đơn vị V)
5 Giá trị được chọn trong thông số P0005 (Nếu như P0005 được cài đặt để hiển thị bất kỳ giá trị nào trong số các giá trị từ 1-4 thì giá trị này không được hiển thị lại) Ấn thêm sẽ làm quay vòng các giá trị trên bảng hiển thị Ấn giữ trong khoảng 2 giây để quay về chế độ hiển thị thông thường.
Từ bất kỳ thông số nào (ví dụ rxxxx hoặc Pxxxx), ấn nhanh nút
Fn sẽ ngay lập tức nhảy đến r0000, sau đó người sử dụng có thể thay đổi thông số khác, nếu cần thiết Nhờ tính năng quay trở về r0000, ấn nút Fn sẽ cho phép người sử dụng quay trở về điểm ban đầu
Nếu xuất hiện các cảnh báo và các thông báo lỗi, thì các thông tin này có thể được giải trừ bằng cách ấn nút Fn.
Truy nhập thông số Ấn nút này cho phép người sử dụng truy nhập tới các thông số.
Tăng giá trị Ấn nút này làm tăng giá trị được hiển thị.
Giảm giá trị Ấn nút này làm giảm giá trị được hiển thị
Gọi trình đơn AOP ngay lập tức (chức năng này chỉ có ở AOP)
3.3.2 Thay đổi các thông số
Ví dụ thông số P0004- “Mức độ truy nhập”
Bước Kết quả hiển thị
1 Ấn để truy nhập thông số
2 Ấn đến khi P0004 được hiển thị
3 Ấn để tới mức giá trị thông số
4 Ấn hoặc để đạt giá trị mong muốn
5 Ấn để xác nhận giá trị và lưu lại giá trị
6 Người sử dụng chỉ có thể nhìn thấy các thông số về lệnh (bắt đầu bằng 7)
3.3.3 Cài đặt thông số nhanh
Cài đặt thông số
* Hướng dẫn cài đặt các thông số cơ bản của biến tần để điều khiển động cơ băng tải Hem 3K160M4
- Tiếp theo, ta tiến hành cài đặt mức truy cập và thông số nhanh cho động cơ
P0003 3 Cài đặt mức truy cập chuyên dụng
P0010 1 Cài đặt thông số nhanh
P0100 0 Đặt thừa số mặc định là 50Hz
P0304 220 V Cài đặt điện áp pha định mức
P0305 50.3 A Cài đặt dòng điện định mức
P0307 15 kW Cài đặt công suất định mức
P0310 50 Hz Cài đặt tần số định mức
P0311 1460 rpm Cài đặt tốc độ định mức
P0335 0/1 Chọn chế độ làm mát động cơ
P0700 1 Cài đặt điều khiển trên keypad
P1000 3 Lựa chọn điểm đặt tần số làm việc theo tần số định mức P1080 0 Hz Tần số nhỏ nhất
P1082 50 Hz Tần số lớn nhất
P1120 10 (s) Thời gian động cơ tăng tốc từ điểm dừng đến điểm có tần số lớn nhất
P1121 10 (s) Thời gian động cơ giảm tốc từ điểm có tần số lớn nhất đến điểm dừng
P1135 5 (s) OFF3 xác định thời gian động cơ giảm tốc từ tần số lớn nhất xuống trạng thái dừng hẳn P1300 0 Chọn chế độ điều khiển V/f
P3900 2 Kết thúc quá trình cài đặt thông số nhanh
- Cuối cùng, ta tiến hành khởi động động cơ
Nhấn : Khởi động động cơ
Nhấn : Đảo chiều quay động cơ
Chọn cài đặt P1080: Thay đổi tần số tăng hay giảm để điều khiển tốc độ động cơ.
CÁC PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH
Khởi động (s=1)
4.1.2 Chọn CB bảo vệ động cơ
Dòng điện định mức của động cơ: I đm = P
Dòng điện khởi động ban đầu của động cơ: Ikđ = 304 (A) Để đảm bảo động cơ vận hành an toàn, ta chọn dòng định mức của CB bằng khoảng
2 - 2.5 lần dòng định mức của động cơ, dòng cắt ngắn mạch của CB phải lớn hơn dòng khởi động ban đầu của động cơ.
Dựa vào thông số trên, ta chọn MCB của hãng LS có mã hiệu MCB 3P LS BKN- 3P, 63A (6kA).
- Dòng cắt ngắn mạch: Icu = 6kA
Thay đổi mômen kéo tải
Mômen khi kéo tải định mức:
0,027.157.[( 0,2147+ 0,22050,027 ) 2 +0,6226 2 ] = 117,83 (Nm)Dòng điện định mức:
Mômen khi kéo tải 90% định mức:
f = 49,91 Hz (nhận) f = 318 Hz (loại) Điện áp tại f = 49,91 Hz
Mômen khi kéo tải 80% định mức:
f = 49,77 Hz (nhận) f = 352,55 Hz (loại) Điện áp tại f = 49,77 Hz
Thay đổi tốc độ kéo tải
4.3.1 Kéo tải với tốc độ định mức
Mômen khi kéo tải định mức:
0,027.157.[( 0,2147+ 0,22050,027 ) 2 +0,6226 2 ] = 117,83 (Nm) Dòng điện định mức:
4.3.2 Kéo tải tốc độ 90% định mức
Dựa vào tính toán động cơ ở chương 2, ta có: i = 15.18 ntq = 95.5 (vòng/phút) Tốc độ kéo tải khi đó: n1 = 0,9 n tq = 0,9 95,5 = 85,95 (Nm) nđc = i× n 1 = 15,18.85,94 = 1305 (vòng/phút)
f = 44,86 Hz (nhận) f = 285,045 Hz (loại) Điện áp tại f = 44,86 Hz
4.3.3 Kéo tải tốc độ 80% định mức
Dựa vào tính toán động cơ ở chương 2, ta có: i = 15,18 ntq = 95,5 (vòng/phút) Tốc độ kéo tải khi đó: n2 = 0,8 n tq = 0,8 95,5 = 76,4 (Nm) nđc = i× n 2 = 15,18.76,4 = 1160 (vòng/phút)
f = 40,07 Hz (nhận) f = 280,18 Hz (loại) Điện áp tại f = 40,07 Hz
MÔ PHỎNG MATLAB
Mô phỏng Matlab
5.3.1 Xây dựng mô hình Matlab
Sơ đồ nguyên lý mô phỏng của mạch động lực trên Matlab/Simulink
Hình 5.1: Phần nghịch lưu sử dụng động cơ 15 kW
Hình 5.2: Phần điều khiển tạo sóng SPWM
Tần số sóng mang (Carrier wave) trong mô hình bằng 5kHz Tốc độ động cơ được cài đặt bằng 800vg/ph trong khoảng thời gian 0 - 5s và thay đổi theo hàm nấc từ 800 lên tốc độ ta cần thay đổi tại thời điểm 5s Mômen động cơ cũng được cài đặt 117,83 Nm trong khoảng 0 - 3s và thay đổi mô men theo tải tại thời điểm 3s theo hàm nấc.
Sử dụng sóng mang để tạo ra sóng SPWM thay đổi theo hình sin để đưa ra 6 xung S1, S2, S3, S4, S5, S6 để kích cho IGBT/Diode nhằm tạo ra điện áp 3 pha đưa vào động cơ không đồng bộ 3 pha Các thông số của các khối được thiết lập theo hướng dẫn của thầy Trần Quang Thọ.
5.3.2 Mô phỏng Matlab a) Thay đổi mômen 90% định mức
Hình 5.3: a) Đáp ứng tốc độ động cơ khi tải 90% b) Đáp ứng mô men động cơ khi tải 90%
Hình 5.4: a) Đáp ứng điện áp nghịch lưu động cơ khi tải 90% b) Đáp ứng dòng điện nghich lưu động cơ khi tải 90%
Hình 5.5: Đáp ứng tần số động cơ khi tải 90% b) Thay đổi mô men 80% định mức
Hình 5.6: a) Đáp ứng tốc độ động cơ khi tải 80% b) Đáp ứng mô men động cơ khi tải 80%
Hình 5.7: a) Đáp ứng điện áp nghịch lưu động cơ khi tải 80% b) Đáp ứng dòng điện nghich lưu động cơ khi tải 80%
Hình 5.8: Đáp ứng tần số động cơ khi tải 90% c) Thay đổi tốc độ kéo tải 90%
Hình 5.9: a) Đáp ứng tốc độ động cơ khi tải 90% b) Đáp ứng mô men động cơ khi tải 90%
Hình 5.10: a) Đáp ứng điện áp nghịch lưu động cơ khi tải 90% b) Đáp ứng dòng điện nghich lưu động cơ khi tải 90%
Hình 5.11: Đáp ứng tần số động cơ khi tải 90% d) Thay đổi tốc độ kéo tải 80%
Hình 5.12: a) Đáp ứng tốc độ động cơ khi tải 80% b) Đáp ứng mô men động cơ khi tải 80%
Hình 5.13: a) Đáp ứng điện áp nghịch lưu động cơ khi tải 80% b) Đáp ứng dòng điện nghich lưu động cơ khi tải 80%
Hình 5.14: Đáp ứng tần số động cơ khi tải 80%
* Lập bảng so sánh kết quả của lý thuyết tính toán và Matlab:
Torque (N.m) Speed (rpm) Frequency (Hz)
Thay đổi tốc độ kéo tải 90%
Thay đổi tốc độ kéo tải 80%
* Nhận xét: Sau khi mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha, 400V, 15kW, sử dụng Matlab/Simulink để thực hiện thì có sự chênh lệch chấp nhận được giữa lý thuyết tính toán ở chương 4 và kết quả mô phỏng ở Matlab Lý do là vì thực tế sẽ có nhiều yếu tố ảnh hưởng như sụt áp ở các chi tiết nhỏ, hao mòn của động cơ, sóng hài của bộ nghịch lưu,
