đồ án điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

Trong cuốn đồ án này em đó tập trung đi sâu vào lĩnh vực điều chỉnhtốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha với các nội dung chủ yếu sau: cácphương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, và từ đó s

- -Đồ án

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không

đồng bộ 3 pha

Sinh viên thực hiện: Trần Duy Cường

Lớp : CK-ĐTĐ 11

Nghành đào tạo : Công nghệ tự động

Tên đề tài : Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

Việc tỡm ra và phỏt triển nguồn năng lượng điện có thể nói là một sựkiện vĩ đại nhất của con người, mà cũng chính nhờ sự kiện vĩ đại đó mà đókhiến cho thế giới thay đổi hoàn toàn: thế giới chuyển từ hỡnh thức lao độnggiản đơn lên thời kỳ đại công nghiệp, sức lao động được giải phóng, năngsuất lao đông tăng cao… con người dần làm chủ thế giới.

Và một trong những công cụ đắc lực nhất giúp đạt được những gỡ nhưngày hôm nay đó chính là máy móc Kể từ khi máy móc được phát minh rathỡ ngay lập tức nú đó được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của đờisống từ những cỗ máy công suất nhỏ chỉ vài mmW tới hàng nghỡn W,đặcbiệt là trong công nghiệp thỡ nú là tất cả

Nền cụng nghiệp càng phỏt triển thỡ kốm theo đó điều kiện cần là máycông nghiệp cũng phải hiên đại hơn Và những đặc điểm về các mặt như tốc

độ quay, độ tổn hao, công suất… của các máy này cũng ngày càng đượcquan tâm hơn theo hướng điều chỉnh sao cho phù hợp với yêu cầu sản xuất

và mang tính đồng bộ hóa cao

Trong cuốn đồ án này em đó tập trung đi sâu vào lĩnh vực điều chỉnhtốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha với các nội dung chủ yếu sau: cácphương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, và từ đó sẽ chọn ra một phương ỏnhiệu quả nhất cho việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện xoay chiều 3 pha

ro to lồng súc

Nam Định, ngày 30, thang11, năm

2010Sinh Viờn

Trần Duy Cường

( Lưu ý: đây là bản chớnh ,phần mạch tương đối hoàn chỉnh, phần lý thuyết thỡ cũn thiếu, muốn đầy đủ và chi tiết hơn thỡ tham khảo:đồ án tốt nghiệp của Vũ Quang Trinh- ĐH Giao thông vận tải Hà Nội

Nếu chỗ nào phụng chữ bị lỗi thỡ cỏc bạn chuyển về

phụng VNTime

Chỳc cỏc bạn thanh cụng !

YM !: chandoiditu_1990

Stato Dây quấn stato Rotor

Chương I

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

I Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Động cơ không đồng bộ

I.1 Cấu tạo : gồm 2 phần

a) Stato: là phần tĩnh của động cơ bao gồm lõi thép (ghép từ các lá

thép kĩ thuật điện) có răng để chứa dây quấn Stato được gắn vào bệ động cơvới nắp có ổ trục định vị cho rôto (hình 1)

b) Rotor: gồm lõi thép (mạch từ) hình trụ các rãnh đặt dây quấn Lõi

thép có trục quay định tâm để gắn vào ổ trục trên stato

- Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) có dây quấn dạng lồng sóc là cácthanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm đặt trong các rãnh rotor, hai đầu các thanhdẫn nối tắt với nhau bằng vòng ngắn mạch

- Rotor dây quấn (rotor pha) có ba đầu dây ra của dây quấn được nốivới ba vòng đồng ở đầu rotor, tiếp xúc với ba chổi than ở stato để dẫn rangoài

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ

I.2 Nguyên lý làm việc

Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ

sẽ sinh ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto,làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E2 sẽ sinh ra dòng điện

I2 chạy trong dây quấn Chiều của sức điện động và chiều dòng điện đượcxác định theo qui tắc bàn tay phải

n1

M

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía trên rôto hướng từ trong

ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía dưới rôto hướng từngoài vào trong

Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từtrên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiềuquay của từ trường

Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n

1 Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trìđược dòng điện I2và mômen M Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từtrường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:

1

1

n

n n

S   (1.1)Trong đó: n tốc độ quay của roto

Khi mở máy thì n = 0 và S = 1 gọi là độ trượt của máy.

Dòng điện trong dây cuốn và từ trường quay tác dụng tương hỗ nênnhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịutác dụng của mômen M theo chiều ngược lại Muốn cho từ trường quay vớitốc độ n1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ

60

2 11

n M M

P đt     (1.3)

Khi đó công suất điện đưa vào:

 cos 3

2 1

1 3 I r

P d 

 (1.5)Tổn hao sắt: P st  P (1.6)

st đt

n M M

P     (1.7)Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấnrôto:

2

2 P đt P d

P    (1.8)Trong đó:

2 2 2

f

co P P P

P2  2'     (1.10)Hiệu suất của động cơ:

) 9 0 8 0 ( 1

II.1 Hệ số trượt:

Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và tốc độ của

từ trường quay stato n1

Ta có:

Hay tính theo phần trăm:

Xét về mặt lý thuyết giá trị S sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 

1 s n

n  (1.15)

II.2 Sức điện động của mạch rôto lúc đứng yên

m

W f K

E20  4 , 44 2 20 2 (1.16)

Trong đó: m trị số cực đại của từ thông trong mạch từ

K2 là hệ số dây quấn rôto của động cơ

Pn

f  (1.17)

20

f bằng với tần số dòng điện đưa vào f1

II.3 Sức điện động khi roto quay:

Tần số trong dây quấn rôto là:

Vậy f2s sf1

Sức điện động trên dây quấn rôto lúc đó là:

Với f2s s f1 thế vào (1.19), ta được:

1

1

n

n n

s  

o o

n

n n

)

1

1 1

n

n n p n n

E2s 4 , 44 2s 2 2 

S K W f

E2s  4 , 44 1 2 2 m

(1-13)

(1-18)(1-19)

(1-20)

(1-21)(1.12)

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

2 1

' 2 1

x x s

r r w

.r 3U M

(1)

Biểu thức (1) là phương trình đặc tính cơ, biểu diễn quan hệ m = f(n).Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds= 0 Ta có hệ số trượttương ứng với mômen tới hạn mt gọi là hệ số trượt tới hạn:

Sth =

' 2

M s s

M s s

(6)

Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

II.5 Ưu nhược điểm của động cơ không đồng bộ

a Ưu điểm

- Trong công nghiệp hiện nay phần lớn đều sử dụng động cơ khôngđồng bộ ba pha Vì nó tiện lợi hơn, với cấu tạo mẫu mã đơn giản, giá thành

hạ so với động cơ điện một chiều

- Ngoài ra động cơ điện không đồng bộ ba pha dùng trực tiếp với lướiđiện xoay chiều ba pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi Vậnhành tin cậy, giảm chi phí vận hành bảo trì sửa chữa Theo cấu tạo người tachia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn vàđộng cơ rôto lồng sóc

- Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ

- Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảmrất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp

III Các phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ:

III.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số

Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato thực hiện bằng bộ biến đổitần số

Ta có: Phương trình điện áp dây quấn stato

U 1 = I. 1 Z1 - E1

Trong đó: Z1 = R1 + JX1 là tổng trở dây quấn stato

- R1 Là điện trở dây quấn stato

- X1 = 2πfL1 là điện kháng tản dây quấn stato đặc trưngcho từ thông tản stato

Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ

Từ phương trình: (1)

Ta có  max tỉ lệ thuận với tỉ số U f1 Khi thay đổi tần số người ta mongmuốn giữ cho  max không đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức Muốnvậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số điện áp U1 vàđiều chỉnh tốc độ bằng thay đổi f, tần số f không đổi

Việc điều chỉnh tốc độ quay bằng thay đổi tần số thích hợp khi điềuchỉnh cả nhóm động cơ lồng sóc Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số chophép điều chỉnh tốc độ một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng

III.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đối số đôi cực

Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điềuchỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp

Để thay đổi số đôi cực P ta thay đổi cách đấu dây và cũng là cách thayđổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato của động cơ

Khi thay đổi số đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở stato và rôto là nhưnhau Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở rôto cũng phải thay đổitheo Do đó rất khó thực hiện cho động cơ rôto dây quấn, nên phương phápnày chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và loại động cơnày có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở rôto để phù hợp với số đôi cực ởstato

Đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hainhóm bối dây trở nên hoàn toàn giống nhau Do đó càng nhiều cấp tốc độ thìkích thước, trọng lượng, giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thườngdùng tối đa là 4 cấp tốc độ

Số đôi cực của từ trừơng quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn, theoquan hệ:

Thay đổi số đôi cực p sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ Để có thểthay đổi được số đôi cực p người ta phải chế tạo những động cơ điều khiểnđặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau, gọi

là máy đa tốc

Ta có công thức tính tốc độ của từ trường quay như sau:

n = và n= n(1-S)Theo như công thức trên ta thấy rừ ràng một điều rằng khi số đôi cực(p)thay đổi thỡ kộo theo đó thỡ tốc độ động cơ (n) cũng thay đổi theo Và từđây ta cũng có được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ dựa vào số đôi cực sau:

a Phương pháp đổi nối Y/YY

Sơ đồ nguyên lý đấu YY

Như vậy điện áp trên mỗi cuộn dây là:

U = Khi đấu Y thỡ:

S = Moomen tới hạn khi đấu Y sẽ được tính bằng:

M = 3U

Khi nối YY thỡ 2 cuộn dõy nối song song nờn:

R = , x =

R = , X = lúc đó M = 3U

So sỏnh giữa cỏc biểu thức trờn ta thấy

= = 2

+ Nhận xột:

Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, giá thành hạ

Các đường đặc tính đều cứng và tổn thất phụ không đáng kểĐộng cơ làm viêc chắc chắn

Việc điều chỉnh khá đơn giản+Nhược điểm: kích thước động cơ lớn

Dải điều chỉnh không rộngGiỏ thanh cao

Hiệu suất sử dụng dõy quấn thấp+ Ứng dụng: phương pháp này thường được dùng trong các máy nhưmáy mài vạn năng, thang máy nhiều tầng, máy nâng trong hầm mỏ, bơm lytâm, quạt thông gió…

III.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho Xtato

Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp Khi giảm điện ápđường đặc tính M = f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động

cơ thay đổi

Hệ số trượt S1, S2 , S3ứng với điện áp U1đm, 0.85U1đm, 0,7U1đm

MC

Nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng điện áp làgiảm khả năng quá tải của động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao ởdây quấn rôto: P đt sP đt sMw1

Việc điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp được dùng chủ yếu vớicác động cơ công suất nhỏ có hệ số trượt Sth lớn

III.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rôto

Thay đổi điện trở mạch rôto, bằng cách mắc biến trở ba pha vào mạchrôto

Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớnhơn so với biến trở mở máy Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôtodây quấn khi có biến trở điều chỉnh tốc độ Ta thấy rằng khi tăng điện trở,tốc độ quay của động cơ giảm

Nếu mômen cản không đổi, dòng rôto không đổi, khi tăng điện trở đểgiảm tốc độ, sẽ tăng tổn hao công suất trong biến trở, do đó phương phápnày không kinh tế Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh trơn vàkhoảng điều chỉnh tương đối rộng, được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay củađộng cơ công suất cỡ trung bình.

Từ những phương pháp điều chỉnh trên ta thấy phương pháp điều chỉnhbằng cách thay đổi tần số có những ưu điểm hơn cả

Từ những ưu điểm đó ở đồ án này em dùng phương pháp điều chỉnh tốc

độ bằng thay đổi tần số làm phương án để điều điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.

- Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều

- Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầucần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải thiệnđược dạng sóng nguồn điện lưới Ngoài ra còn có tác dụng hạn chế tốc độ

Chỉnhlưu

CNghịch

lưu

tăng của dòng anod So với chỉnh lưu không điều chỉnh hình tia thì chỉnh lưuhình cầu có đặc điểm sau:

+ Có điện áp đặt nên van nhỏ hơn 2 lần so với hình tia

+ Điện áp đầu ra phía chỉnh lưu có độ nhấp nhô thấp chất lượng điềuchỉnh tốt hơn

+ Có điện áp nguồn nhỏ hơn so với hình tia, máy biến áp tận dụng triệt

để hơn, lõi thép không bị từ hóa

Nhưng ở sơ đồ hình cầu có Dioed nhiều hơn 3 van nên giá thành đắthơn

Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

Dạng sóng đầu ra

Các Diode nhóm lẻ dẫn điện khi điện thế cực A dương nhất

Các Diode nhóm chẵn dẫn điện khi điện thế cực K âm nhất

- Từ t 1 t2: U a dương nhất và U b âm nhất nên D1 và D6 dẫn

- Từ t 3 t4: U b dương nhất và U c âm nhất nên D3 và D2 dẫn

- Từ t 5 t6: U c dương nhất và U a âm nhất nên D5 và D4 dẫnBảng tóm tắt hoạt động:

Khoảng Chiều dòng điện Diode mở Điện áp tải U d

- Mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp cho dòng chảy qua trong 2 lần mộtphần

3 chu kỳ ( 4/3 ): 1/3 chu kỳ đối với Diode trên và 1/3 chu kỳ đối vớiDiode dưới

- Trị số tức thời của điện áp tải Ud bằng hiệu của trị tức thời điện áp củahai pha đang cấp dòng cho tải

I.2 Bộ Lọc

- Sơ đồ khối:

Bộ lọc là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và bộ nghịch lưu Bộ lọc LCđược dùng cho bộ chỉnh lưu công suất lớn Bộ lọc này cho phép thành phầnmột chiều của điện áp chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều,

nó cho dòng điện có tần số nào đó đi qua mà biên độ không bị suy giảm,đồng thời làm suy giảm mạch dòng điện ở tần số khác

Để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏcác thành phần hài

Để đặc trưng cho chất lượng của điện áp ( hay dòng điện ) sau chỉnh lưungười ta đưa ra hệ số đập mạch K p

Khi có tụ lọc mạch, trong mạch xảy ra quá trình phóng nạp:

Kết quả điện áp ra trên tụ tương đối bằng phẳng

Mặt khác tụ điện còn có tác dụng lọc các sóng hài bậc cao Các sóng hàibậc cao qua tụ C thoát xuống mass không đưa ra tải Do vậy dòng điện quatải chỉ còn thành phần 1 chiều và một phần thành phần hài bậc thấp

- Điện cảm L

Khi dòng qua tải biến thiên ( đập mạch) trong cuộn L sinh ra sức điệnđộng tự cảm chống lại sự đập mạch đó, do vậy dòng điện ra bằng phẳng hơn.Mặt khác các thành phần hài bậc cao khi qua L sẽ sụt áp trên L ( vì càng lớn thì XL càng lớn), do vậy điện áp ra gồm thành phần một chiều vàmôt phần nhỏ hài bậc thấp

cực gốc trong chu kỳ dẫn của Tranzito, một khuyết điểm nữa là điện áp địnhmức thấp hơn của Thyristo Tuy nhiên dùng Tranzito công suất mở rộngđược phạm vi và phát huy các ưu điểm hơn Thyristo do cải thiện được đạilượng định mức và giá thành Vì vậy ta xét mạch nghịch lưu điện áp sơ đồcầu dùng

van an toàn

I.3.1 Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch

Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu

Phương pháp điều chỉnh các Tranzito thông thường nhất là điều khiểncho góc mở của van là:  = 1800

ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác địnhđiện áp trên tải trong từng khoảng thời gian 600 ( vì cứ 600 có một sựchuyển trạng thái mạch)

Với nguyên tắc van nào dẫn coi là thông mạch

Nguyên tắc chuyển mạch: cho góc mở của mỗi Tranzito là 180 0 và cứ

D2 khóa quá trình chuyển mạch kết thúc.

Từ những lý luận như trên ta có được các chuyển mạch:

I.3.2 Dạng sóng mạch nghịch lưu:

Điện áp trên từng pha tải

Trên pha A:

I.4 Giản đồ xung khi điều khiển

I.4.1 Động cơ chạy thuận:

Để cho động cơ quay thuận: ta cho xung kích mở các TZT theo thứ tự

T1, T2, T3, T4, T5, T6

t

t t t

I.4.2 Động cơ chạy ngược

Để động cơ quay ngược: ta cho xung kích mở theo thứ tự : T6, T5, T4, T3,T2, T1

t

t

t t t

II Phương án mạch điều khiển

Sơ đồ mạch điều khiển:

Mạch điều khiển

* Khâu phát xung: IC555, R1, R2 , C1

* Bộ so sánh ( khuếch đậi thuật toán): OA, R3, R4 , R5

* Khâu khuếch đại xung: R6, R7 , R8, R9, R10, C2 , C3, C4 , Q

Chức năng của bộ điều khiển:

- Tạo ra những xung có độ rộng nhất định và hình dạng nhất định, phân phối theo từng pha tương ứng và thay đổi thời điểm đặt

Phát xungđiều khiển Bộ sosánh đại xungKhuếch