Đồ án 2 thiết kế hệ truyền động điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha cho phụ tải cho động cơ bơm

Đặc biệt do công nghệ phát triển của các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không ngừng đáp ứng được độ tác đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN 2

Thiết kế hệ truyền động Điều chỉnh điện áp xoaychiều 3 pha cho phụ tải cho động cơ bơm

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ LIÊN ANH

Sinh viên thực hiện: Nhóm 7

Nguyễn Chiến Công20A17010140 Nguyễn Mạnh Cường20A17010208 Hoàng Tiến Đạt20A17010087 Phạm Ngọc Dương20A17010162 Phạm Văn Dương20A17010088 Nguyễn Hữu Đại20A17010079

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa Vì thế tự động hóa đóng vai trò quan

trọng, tự động hóa giúp tăng năng suất, tăng độ chính xác và do đó tăng hiệu quá trình sản xuất Để có thể thực hiện tự động hóa sản xuất, bên cạnh các thiết bị cơ khí máy móc hay điện, các dây chuyền sản xuất…v.v, cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng

Trong dây chuyền sản xuất hiện đại, truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Vì vây, các hệ truyền động điện luôn được quan tâm nghiên cứu và nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ công nghệ hóa cao.

Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ khoa học kĩ thuật điện tử, tin học, các hệ truyền động được phát triển và có sự thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệ phát triển của các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không ngừng đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần giảm kích thước và hạ giá thành sản phẩm.

Nhóm em được nhận đề tài"Thiết kế hệ truyền động

Điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha cho phụ tải động cơbơm."

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1: Khái quát về máy bơm và yêu cầu khởi động 6 1.1 Cấu tạo máy bơm 6

1.1.1 Máy bơm nước 3 pha công suất lớn là gì? 6

1.1.2 Cấu tạo của máy bơm nước 3 pha công suất lớn 6

1.1.3 Ứng dụng của máy bơm nước 3 pha công suất lớn 7

1.2 Nguyên lý hoạt động 8

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước 3 pha 81.2.2 Đặc tính máy bơm nước 8

1.2.3 Yêu cầu khởi động 8

Chương 2 Nguyên lý khởi động động cơ không đồng bộ.9 2.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ 9

2.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 10

2.1.2.3 Hệ số công suất cosφ 14

2.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 15

2.2.1 Phương pháp khởi động trực tiếp 15

2.2.2 Phương pháp khởi động đổi nối Sao/ Tam giác17

3.2 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống chỉnh lưu

3.3.1 Tính toán tạo xung đồng bộ và mạch tạo răng cưa hai nửa chu kỳ 30

3.3.2 Mạch tạo điện áp răng cưa 31

3.3.3 Tính toán mạch so sánh sử dụng khuếch đại sử

Đề số 2

Tên đề tài:

"Thiết kế hệ truyền động Điều chỉnh điện áp xoay chiều

3 pha cho phụ tải động cơ bơm."

Số liệu ban đầu :

Nội dung tính toán:

- Khái quát về máy bơm và yêu cầu khởi động

- Nguyên lý khởi động động cơ không đồng bộ

- Thiết kế mạch lực mạch lực hệ điều chỉnh điện áp xoay chiểu 3 pha Tiristo

- Thiết kế mạch điều khiển.

Chương 1: Khái quát về máy bơm và yêu cầukhởi động

1.1 Cấu tạo máy bơm

1.1.1 Máy bơm nước 3 pha công suất lớn là gì?

- Máy bơm nước ba pha công suất lớn là dòng máy bơm nước được trang bị động cơ điện 3 pha, cần điện áp 380V điện áp định mức 0,4KW của Việt Nam với tần số chủ yếu là 50HZ thì mới có thể hoạt động và có công suất làm việc từ 15HP trở lên Do có công suất lớn, lại có khả năng làm việc ổn định, máy bơm nước 3 pha công suất lớn ngày càng được ưa chuộng trên thị trường, được ứng dụng nhiều vào các hoạt động sản xuất công nghiệp, các công trình thuỷ lợi, hệ thống cung cấp nước ở khu dân cư,

- Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật của máy bơm nước 3 pha công suất lớn:

Động cơ máy bơm 3 pha công suất lớn có thể đạt được hiệu suất làm việc cao nên người ta có thể thiết kế động cơ vòng lớn, tải trọng lớn dẫn đến công suất của các máy bơm này lớn.

Tùy thuộc vào thiết kế động cơ, máy bơm có thể được quấn với động cơ ba pha lồng sóc hoặc động cơ ba pha thông thường.

Động cơ trên 15HP áp dụng chế độ kết nối delta, gián tiếp chuyển chế độ hoạt động của máy bơm từ kiểu sao sang kiểu delta, để giảm tình trạng quá tải có thể gây ra quá tải đường dây truyền tải khi động cơ đang chạy.

Hiện nay các loại động cơ máy bơm nước rất đa dạng bao gồm động cơ đặt cạn và động cơ đặt chìm, tùy theo từng loại máy bơm khác nhau mà người ta thiết kế các loại động cơ khác nhau và số lần quay cũng khác nhau.

1.1.2 Cấu tạo của máy bơm nước 3 pha công suất lớn

Hình 1 Cấu tạo của máy bơm

Một máy bơm nước 3 pha công suất lớn có cấu tạo về cơ bản tương tự như các loại máy bơm thông thường khác, bao gồm 4 phần chính như sau:

Bánh công tác: Bánh xe đúc gang tiêu chuẩn mang đến sự chính xác cho sản phẩm, có 3 dạng kết cấu chính là bánh công tác hở hoàn toàn, nửa hở và kín Các bánh răng lắp trên trục bơm, kết hợp với các chi tiết khác được gắn cố định vào trục tạo thành bộ phận quay của bơm, gọi là rôto

Trục bơm: Làm bằng thép hợp kim, có chốt với bánh

1.1.3 Ứng dụng của máy bơm nước 3 pha công suất lớn

Máy bơm nước 3 pha công suất lớn đã có từ rất lâu và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Dưới đây là một số ứng dụng của máy bơm nước 3 pha công suất lớn:

Bơm nước hoặc nước ngầm từ các hố móng để phục vụ cho việc xây dựng nhà ở, cầu cống, nền móng …

Bơm bùn thường có thiết kế công suất lớn hơn, ống được làm bằng vật liệu chống ăn mòn và chống bám dính.

Sử dụng trong hệ thống cấp nước của chung cơ, công trình thuỷ lợi (hút nước ngập úng,…)

Cấp nước trong nuôi trồng thủy sản giúp con người tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận hành hệ thống sản xuất.

Xử lý bùn, nhất là trong việc nạo vét ao hồ.

Sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp hoặc công nghiệp thực phẩm.

Trong khai thác mỏ, máy bơm để chống cháy nổ…

1.2 Nguyên lý hoạt động

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước 3 pha

Máy bơm sẽ hút hết không khí trong đường ống ra ngoài tạo thành môi trường chân không và giảm áp suất trong đường ống về 0 Lúc này nước trong ống dâng lên do có áp suất khí quyển trên mặt nước Khi thân máy bơm và đường ống hút được cấp nước hoàn toàn, máy sẽ chạy trong quá trình hút và đẩy nước liên tục, tạo ra dòng nước liên tục giúp dẫn nước.

1.2.2 Đặc tính máy bơm nước

Điện áp sử dụng: Điện áp sử dụng thông thường của các loại

bơm khác là 220V và 50Hz Tuy nhiên cũng có một số loại máy bơm sử dụng nguồn điện 110V hay nguồn điện 3 pha Đối với nguồn điện 110V trong quá trình sử dụng đòi hỏi phải thông qua một biến áp để giảm hiệu điện thế Và nếu như cắm nhầm máy bơm sử dụng nguồn 110V vào nguồn 220V sẽ dẫn đến cháy máy bơm.

Lưu lượng bơm: Đây là đại lượng biểu thị lưu lượng nước mà

máy bơm có thể bơm được trong một đơn vị thời gian nhất định thông thường là /h.

Độ cao: Là độ cao mà máy bơm nước có thể vận chuyển nước

từ điểm hút nước đến điểm cao nhất cho phép của máy bơm Thông thường độ cao của máy bơm chỉ đạt được 80% so với độ cao ghi trên máy bơm bởi còn tùy thuộc rất nhiều yếu tố khách quan cũng như chủ quan khác.

Công suất của máy bơm: Công suất của máy bơm là một đại

lượng khá quan trọng cần được lưu tâm Hãy chọn một loại máy bơm phù hợp nhất với mục đích sử dụng để tránh sự lãng phí hay sự thiếu hụt trong quá trình sử dụng.

1.2.3 Yêu cầu khởi động

Trước khi khởi động bơm, phải kiểm tra để đảm bảo trục của động cơ có thể quay tự do Một số bơm có một rãnh nhỏ trên đầu trục phía cánh bơm Khi bơm bị kẹt, tra chìa vặn vít vào rãnh nhỏ này rồi dùng búa gõ nhẹ.

Chỉ khởi động bơm khi bơm và ống hút đã chứa đầy nước Không được cho bơm chạy khô, nếu chạy lâu sẽ bị hỏng cánh, khoang chia nước dẫn tới cháy động cơ… Với bơm ba pha, động cơ phải được đặt theo đúng chiều mũi tên vẽ trên thân bơm (Theo chiều kim đồng hồ khi nhìn động cơ từ phía cánh bơm) Nếu động cơ đặt không đúng chiều, phải đảo các mối nối dây dẫn điện từ nguồn Bơm chỉ được phép hoạt động theo các thông số quy định Nếu muốn cho bơm hoạt động ra ngoài

khoảng quy định, có thể điều chỉnh van cổng trên ống hút hoặc điều chỉnh áp suất của bất kỳ rơ le áp suất nào.

Chương 2 Nguyên lý khởi động động cơ không đồng bộ

2.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm biến điện từ có tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay từ trường.

Động cơ không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) với lưới điện tần số không đổi, dây quấn roto (thứ cấp) Dòng điện trong dây quấn roto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào roto, nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của động cơ.

2.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ.

Mặt cắt ngang hai bộ phận chính của động cơ KĐB 3 pha

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ 3 pha gồm hai bộ phận chính là: stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.

2.1.1.1 Stato

Stato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có võ máy và nắp máy.

a, Lõi thép

Lõi thép stato có các rãnh hướng trục

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép và bên trong vỏ máy.

b Dây quấn

Sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh

Dây quấn stato làm bằng dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh lõi thép Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh của stato, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11.

Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

c Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục Võ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy.

2.1.1.2 Roto

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

a Lõi thép

Mặt cắt ngang của lõi thép stato

Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục.

b Dây quấn

Roto lồng sóc công suất lớn

Roto lồng sóc công suất nhỏ

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto KĐB lồng sóc) và roto dây quấn.

– Roto lồng sóc:

Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc Loại roto lồng sóc công suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc.

Ở động cơ roto lồng sóc công suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làm mát.

– Roto dây quấn:

Roto dây quấn

Loại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với

ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục.

Dây quấn roto có thể nối với biến trở ngoài

Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ.

Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

2.1.2 Đặc tính động cơ không đồng bộ2.1.2.1 Tốc độ quay n

Tốc độ quay có quan hệ với hệ số trượt s theo biểu thức: Khi tải tăng, công suất P trên trục động cơ tăng, moment cản 2

tăng lên từ đó hệ số trượt s tăng lên và tốc độ động cơ giảm xuống (hình dưới).

Đặc tính tốc độ quay

2.1.2.2 Hiệu suất η

Hiệu suất động cơ được tính như sau:

P1 là công suất tác dụng điện động cơ tiêu thụ để biến đổi sang công suất cơ P 2

P2 là công suất cơ hữu ích trên trục động cơ.

Động cơ không đồng bộ 3 pha thường được thiết kế sao cho hiệu suất cực đại khi hệ số tải k = 0,7 Trong khoảng k = 0,5 tt

÷ 1 hiệu suất hầu như không đổi (hình bên dưới) Hiệu suất động cơ công nghiệp khoảng 0,75 ÷ 0,95.

Đặc tính hiệu suất

2.1.2.3 Hệ số công suất cosφ

Hệ số công suất của máy điện không đồng bộ 3 pha là tỉ số giữa công suất tác dụng P với công suất toàn phần S.

Q là công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ để tạo ra từ trường cho máy.

Khi máy quay không tải, công suất P nhỏ, do đó cosφ thấp chỉ 1

từ 0,2 ÷ 0,3.

Khi tải tăng, công suất P tăng và cosφ được tăng lên đạt đến 1

giá trị định mức cosφ = 0,8 ÷ 0,9.đm

Khi quá tải, từ đường đặc tính cosφ ta thấy khi dòng điện vượt định mức (tức I1/Iđm > 1) thì cosφ lại giảm xuống, do từ thông tản tăng, Q tăng.1

Từ đặc tính cosφ ta thấy, không nên cho máy làm việc không tải hoặc non tải.

Ngoài ra qua các đồ thị ta thấy khi công suất P tăng thì 2

moment M và dòng điện stato I đều tăng.1

2.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ2.2.1 Phương pháp khởi động trực tiếp

Hình 2.2 Mạch khởi động trực tiếp động cơ (IEC)

- Nguyên tắc khởi động: Động cơ được đóng điện trực

tiếp vào nguồn điện lưới bằng aptomat MCCB và khởi động từ M

Bật CB đèn tín hiệu mầu vàng (Yellow) sáng Nhấn nút Start, cuộn dây contactor M(11,2) có điện , đóng tiếp điểm duy trì M(9, 11) và đóng tiếp điểm chính M ở mạch động lực, cấp điện 3 pha cho động cơ hoạt động, đồng thời đèn xanh (green) sáng, mở tiếp điểm M(9, 13) làm đèn vàng tắt Nhấn nút Stop, cuộn dây contactor M mất điện, tiếp điểm chính M ở mạch động lực mở ra, động cơ ngừng hoạt động Khi quá tải hoặc mất pha phần tử đốt nóng rơ le nhiệt OL(Over Load) tác động mở tiếp điểm OL(3, 7), cuộn dây contactor M mất điện, tiếp điểm động lực M mở ra, động cơ ngừng hoạt động, đồng thời đóng tiếp điểm OL(3,5), dẫn đến đèn đỏ (red) sáng

Phương pháp khởi động trực tiếp là một trong những phương pháp có tính đơn giản nhất và chỉ được áp dụng cho các cho các động cơ có công suất nhỏ

Khi sử dụng nguồn điện có công suất rất lớn so với những công suất động cơ thì nên dùng loại phương pháp này vì thời gian mở

động cơ máy nhanh, cũng như thao tác mở máy đơn giản và momen mở máy lớn.

Nhược điểm của phương pháp khởi động trực tiếp này chính là dòng điện mở máy khá lớn và nếu quán tính của những dòng tải khá lớn (từ 5 đến 8 lần dòng định mức ) thời gian khởi động với dòng điện mở máy kéo dài hơn dẫn đến ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ

Đặc biệt nó có thể làm cho những động cơ điện bị phát nóng và các động cơ khởi động không êm, chính điều này sẽ ảnh hưởng đến các lưới điện áp vì thời gian bị giảm áp bị quá lâu Ngoài ra, khi sử dụng phương pháp này sẽ kéo theo các động cơ phức tạp hơn như vận hành khó hơn, bảo quản phức tạp cho các roto lồng sóc.

Hiện nay, phương pháp khởi động trực tiếp được ứng dụng cho các lực quán tính nhỏ như tâm, tiện, bơm ly, máy mài, máy khoan cần …

2.2.2 Phương pháp khởi động đổi nối Sao/ Tam giác

Phương pháp khởi động bằng đổi nối sao/ tam giác được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực với những động cơ có công suất trung bình khi làm việc đấu hình tam giác, với ưu điểm giảm dòng khởi động xuống 1/3 lần so với khởi động trực tiếp, tiết kiệm nhiều về mặt chi phí…

Khi mới được khởi động, động cơ sẽ chạy ở chế độ đấu dây hình sao, đến khoảng 75% tốc độ thì nó sẽ chuyển sang chế độ tam giác thường trực.

Điện áp đặt vào mỗi pha và momen khởi động sẽ giảm đi 3 lần khi động cơ chạy ở chế độ điện áp sao Khi này dòng điện sẽ giảm đi đáng kể nhất là khi sử dụng tải động cơ công suất lớn.

- Nguyên lý làm việc: