động cơ điện và điều khiển điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp uf

Động cơ điện và điều khiển

Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp U/F

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Quang ĐịchHọc viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Chiến – 20222136M

Nội dung báo cáo

Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ ba pha (U/F)

Tổng quan động cơ không đồng bộ 3 pha

Kết luận

Tổng quan động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ ba pha là một trong những loại động cơ phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và dân

1 Nguyên lý hoạt động:

Động cơ không đồng bộ ba pha hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây của stator và từ

trường xoay tạo ra bởi rotor Điện áp ba pha được áp dụng cho các cuộn stator, tạo ra một trường từ trường quay Rotor, thông thường là một loại dây đồng, tạo ra một từ trường xoay khác, tương tác với từ trường tạo ra bởi stator, làm cho rotor quay.

2 Cấu trúc chính:

Động cơ không đồng bộ ba pha bao gồm ba phần chính: stator, rotor và hệ thống gầm máy Stator là phần không di chuyển của động cơ, chứa cuộn dây dẫn điện và tạo ra từ trường cố định Rotor là phần quay, tạo ra từ trường xoay khi chạy và đóng vai trò chính trong việc tạo ra chuyển động quay.

Tổng quan động cơ không đồng bộ 3 pha

3 Vận hành động cơ không đồng bộ:

Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp.

Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy Nói chung khi mở máy cần chú ý các yêu cầu sau:

 Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặt tính cơ của tải  Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

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

 Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.

Tổng quan động cơ không đồng bộ 3 pha

4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ.

Theo thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ là đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi bỏ qua tổn thất do ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng.

Tổng quan động cơ không đồng bộ 3 pha

4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ.

Đường đặc tính cơ:

Với những giá trị khác nhau của s ( 0 s 1 ), phương trình cho những giá trị M Đường biểu diễn M=f(s) trên trục tọa độ s0M như hình vẽ, đó là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha.

Phương trình đặc tính cơ:

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn ẠK và BK, phân bởi điểm tới hạn K Đoạn AK gần thẳng và cứng Trên đoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng

với tốc độ =0 (s=1) và mômen mở máy: Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (Mc =0) và tốc độ đồng bộ:

Tổng quan động cơ không đồng bộ 3 pha

5 Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ

Khi thay đổi f1 tốc độ đồng bộ 0 thay đổi, đồng thời X1,X2 cũng bị thay đổi (vì X = 2p fL ) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth.

Quan hệ tới hạn theo tần số sth =f(f1) và mômen tới hạn theo tần số Mth=f(f1) là phức tạp nhưng vì w0 và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth ta rút ra:

Khi tần số f giảm, đồ trượt tới hạn sth và mômen Mth đều tăng lên nhưng Mth tăng nhanh hơn

Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức fđm thì tổng trở của cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động cơ tăng mạnh Vì vậy khi giảm tần số xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho

động cơ theo quan hệ:

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1< fđm Ở vùng f1>fđm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1=Uđm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ:

Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1 Khi tải tăng lên dòng điện bắt đầu tăng Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải Vì vậy khi tăng tải hệ số công suất cũng tăng Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin Điêu này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn hoặc đảo chiều động cơ Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm

tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng, trước phương pháp hãm cơ được dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào động cơ:

Để thay đổi điện áp người ta dùng bộ biến đổi có điện áp ra tùy theo tín hiệu điều khiển đặt vào

Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Nếu bỏ qua tổng trở của nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch rôto Khi điện áp của bộ biến đổi U2 thì ta được họ đặc tính điều chỉnh như hình

Khi đó Độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị:

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào động cơ:

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ Khi dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trở phụ vào mạch rôto thì khi đó:

Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U2=U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh).

Nếu giá trị điện áp đặt vào stator khác với giá trị định mức thì mômen tới hạn lúc điều chỉnh điện áp Mtu sẽ thay đổi theo tỷ lệ bình phương điện áp, còn độ trượt tới hạn thì không đổi.

Khi xét đến tổng trở của bộ biến đổi thì việc xác định đặc tính giới hạn có phức tạp Khi đó ta xem điện trở rb và điện kháng xb của bộ biến đổi có giá trị cố định không phụ thuộc vào điện áp U2 Lúc đó:

Ta được phương trình đặc tính cơ:

Đặc tính điều chỉnh khi

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Phương pháp dùng bộ điều chỉnh điện áp bằng thyristor:

Đây là bộ điều chỉnh được ứng dụng ngày càng nhiều trong điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ vì có nhiều ưu điểm so với bộ biến đổi xoay chiều khác như dùng biến áp tự ngẫu, dùng khếch đại từ…

Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dùng thyristorBộ điều chỉnh thyristor này tương đối

đơn giản gồm 6 thyristor Khi ở trạng thái xác lập, các thyristor mở ở

những góc kích như nhau và không đổi Khi đó T1,T3,T5, dẫn ở nữa chu kỳ dương, T2,T4,T6 dẫn ở nữa chu kỳ âm của lưới điện

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điện áp đặt vào stato của động cơ U2 (điện áp ra của bộ biến đổi) là những phần đường hình sin trên đồ thị sau:

Giả thiết đường cong trên hình bên là đồ thị điện áp của pha A đưa vào stato của động cơ qua hai thyristor T1,T4

Nếu T1 mở ở góc =0 thì T1 sẽ dẫn cho đến thời điểm , do điện áp lưới dương đặt vào Anot, và sau đó dẫn từ đến + là nhờ năng lượng điện từ tích trong dây quấn stator

Tương tự thyristor T4 dẫn ở nữa chu kỳ âm và góc phụ thuộc vào độ

trượt s Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh ta bỏ qua điện trở của

thyristor Khi thyristor đang dẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với

những góc khác nhau được vẽ trên hình bên Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của

các đặc tính điều chỉnh có thể khác Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng bộ điều khiển

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thường dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng

theo tốc độ như: quạt thông gió, máy li tâm …

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số

Ta có tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực

theo công thức:

Mà tốc độ của rôto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:Do đó bằng việc điều chỉnh tần số f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1 Bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 có thể điều chỉnh

được tốc độ của động cơ Nhưng khi tần số giảm thì trở kháng của động cơ giảm theo (X=2pfL) Kết quả làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên Nếu điện áp nguồn cấp không đổi sẽ làm cho mạch từ bị lão hóa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy được hết công suất.

Vì vậy đặt ra vấn đề là thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi, từ thông này có thể là từ thông stator Φ1, từ thông của rôto Φ2, hoặc từ thông của tổng mạch từ Φm.

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số

Vì mômen động cơ tỷ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng như giữ cho mômen không đổi Có thể kể ra các luật điều khiển sau:

 Luật U/f không đổi ; U/f =const

 Luật dòng điện không tải không đổi.I0=const  Luật hệ số quá tải không đổi l=Mth/Mc =const

 Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc I1=f()

Ta có công thức tỷ lệ của Suất điện động của cuộn dây stator E1 so với từ thông Φ1và tần số f1:

Từ công thức trên nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stator Z1 ta có E1 U1 do đó:

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi Trong phương pháp U/f =const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức Cần lưu ý khi mômen tải tăng, dòng động cơ tăng làm sụt áp

trên điện trở stator dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm Do đó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số

Ta có công thức tính mômen của động cơ như sau:

Ta có công thức:

Và mômen tới hạn:

Khi hoạt động ở định mức:

Với f1 là tần số làm việc của động cơ, fđm là tần số định mức

Theo luật U/f

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số

Phân tích tương tự ta cũng thu được 0=a0đm, X1=aX1đm, X’2=aX'2dm thay các giá trị trên ta được công thức tính mômen và mômen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức:

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn so với giá trị (X1+ X'2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi mômen tải lớn Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông mômen cực đại

Dựa trên công thức trên ta thấy các giá trị X1 và X '2 phụ thuộc vào tần số trong khi R1 lại là hằng số Như vậy khi hoạt động ở tần số cao giá trị X1+ X'2 >> R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như không đổi Mômen cực đại của động cơ gần như không đổi.

Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha (U/F)

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số

Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cấp thêm cho động cơ

điện một điện áp một chiều U0 để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 từ đó ta có quan hệ sau:

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Uđm tại f=fđm Khi a>1 (f>fđm) điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều

khiển U/f=const.

ta có nhận xét sau:- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức Mômen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này

- Có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến mômen giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến mômen trở nên phức tạp.

- Việc tăng tốc và giảm tốc có thể thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian.

THANK YOU !