Đồ án được chia làm 4 chương: Chương 1: Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn.. Nội dung chương trình này giới thiệu đặc tính cơ, đặc tính tốc độ, cá
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Động cơ điện tiêu thụ khoảng 65% tổng năng lượng điện, tiêu thụ khoảng 75% tổng năng lượng điện trong công nghiệp và máy điện không đồng bộ chiếm hơn 90% trong số đó Lý do máy điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến là vì tính mạnh mẽ, tin cậy, bền bỉ, dễ bảo trì và tương đối rẻ, kích thước gọn nhẹ hơn so với động cơ một chiều cùng công suất.
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm biến điện từ có tốc độ quay của roto n khác với tốc độ quay từ trường.
Máy điện 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 máy.
Tương tự như máy điện khác, máy điện không đồng bộ sở hữu tính thuận nghịch, tức là có khả năng hoạt động ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện.
1.1.2 Cấu tạo: Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo khá đơn giản gồm stator và rotor Trên lõi thép stator có đặt 3 dây quấn lệch nhau 1200 trong không gian Rotor có 2 loại:
Rotor dây quấn gồm 3 dây quấn đặt lệch nhau 120 0 trong không gian và thường được nối sao, đưa 3 đầu dây ra bên ngoài nhờ hệ thống vành trượt và chổi than, khi làm việc,dây quấn rotor phải được nối kín mạch.
Rotor lồng sóc (phổ biến hơn vì có nhiều ưu điểm) gồm có lõi thép hình trụ bên ngoài có xẻ rãnh để đặt các thanh dẫn và được nối ngắn mạch lại giống như lồng sóc.
Khi cấp nguồn xoay chiều 3 pha như hình 6-4 vào dây quấn stator, trong stator sinh ra từ thông 3 pha Từ thông 3 pha này tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ns Tốc độ đồng bộ được xác định như sau: n s `∗f p [vg/ph] (1.1)
Với f [Hz] là tần số nguồn điện 3 pha, p là số đôi cực từ tùy thuộc kết cấu dây quấn của động cơ.
Từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dẫn rotor sức điện động E2 làm sinh ra dòng điện trong thanh dẫn rotor và làm rotor quay cùng chiều từ trường quay nhưng với tốc độ |n| < |ns| (chế độ động cơ) nên gọi động cơ không đồng bộ Vì vậy, ở điểm làm việc định mức có tốc độ định mức gần bằng tốc độ đồng bộ Khi đó, dòng điện rotor cũng cảm ứng lên stator sức điện động E1. Đặc trưng cho độ sai lệch giữa tốc độ rotor và tốc độ đồng bộ là độ trượt tốc độ s và được xác định như sau: s=∆ n n s =∆ ω ω s =n s −n n s =ω s −ω ω s (1.2)
Để đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ 3 pha, cần đảo thứ tự 2 trong 3 pha điện áp cấp vào stato Sự đảo chiều này sẽ dẫn đến đảo chiều từ trường quay ns và từ đó đảo chiều quay của động cơ.
PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ
Hình 1-1 Mạch tương đương 1 pha của động cơ không đồng bộ Trong đó:
- Uph là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator.
- Im, I1, I ’ 2 là các dòng điện từ hóa, stator và dòng điện rotor đã quy đổi về stato.
- Rm, R1, R ’ 2 là các điện trở tác dụng của mạch từ hóa, của cuốn dây stator và rotor đã quy đổi về stator.
- Xm, X1, X ’ 2 là điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng tản rotor đã quy đổi về stator.
- s là độ trượt của động cơ
Hệ số quy đổi sức điện động là: k e =N 1 ∗k dq1
Từ đó ta có hệ số quy đổi dòng điện: k i =1 k e (1.6)
Và hệ số quy đổi trở kháng: k R =k X =k e k i =k 2 E (1.7)
Với các hệ số quy đổi này, các đaị lượng ở mạch rotor có thể quy đổi về mạch stator theo cách sau:
- Điện trở: R 2 ' =k R R 2 =k e 2 R 2 (1.10) Dòng điện rotor quy đổi về stator có thể tính từ sơ đồ thay thế:
Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor:
Mđt là moment điện từ của động cơ
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì: M đt =M cơ =M (1.13)
Công suất đó chia thành 2 phần:
Pcơ: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ
∆ P 2 : công suất tổn hao đồng trong rotor
Thay giá trị I’2 đã tính được ở trên vào (1.17) và biến đổi ta có
Trong đó: Xnm = X1 + X ’ 2 là điện kháng ngắn mạch.
Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s( ω )] gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K.Tại điểm đó: dM ds =0
Giải phương trình ta có: s th = ± R 2 '
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
Trong hai biểu thức trên dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động điện với động cơ không đồng bộ người ta quan tâm nhiều 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 ≤ s th
Hình 1-2 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không bộ ba pha Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa (1.18) và (1.20) và biến đổi sẽ được phương trình đặc tính cơ :
M=2M th (1+α s th ) s s th +s th s +α s th
R 2 ' Đối với động cơ có công suất lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm, lúc này có thể bỏ qua R1, nghĩa là coi R1 = 0, α s th = 0 và (1.21) có dạng gần đúng:
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ
- Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stator (nối thêm điện trở phụ R1f và X1f vào mạch stator).
- Ảnh hưởng điện trở mạch rotor (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rotor đối với động cơ rotor dây quấn).
Trong phần này ta sẽ lần lượt xét các ảnh hưởng trên:
1.3.1 Ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ Điện áp Uph đặt vào stator động cơ chỉ có thể thay đổi về phía giảm Khi Uph giảm thì moment tới hạn Mth sẽ giảm rất nhanh theo bình phương của Uph, còn tốc độ đồng bộ ω 1 và độ trượt tới hạn sth không thay đổi Các đặc tính cơ giảm điện áp như hình 1-3.
Hình 1-3 Họ đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp Uph
1.3.2 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch stator
Trường hợp này cũng chỉ thay đổi về phía tăng R1 hoặc X1 Sơ đồ nối dây như hình 1-4.
Hình 1-4 Sơ đồ nối và họ đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi nối thêm R1 hoặc X1 vào mạch stator Khi nối thêm vào mạch stator R1 hoặc X1 thì ta thấy tốc độ không đồng bộ ω không đổi, còn độ trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth đều giảm Hình vẽ 1-4 biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo khi tăng trở kháng mạch stator và khi giảm điện áp cấp cho stator Các đặc tính được vẽ trong những trường hợp này có cùng moment mở máy Mmm.
1.3.3 Ảnh hưởng của số đôi cực p
Tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ (KĐB) phụ thuộc vào số đôi cực Động cơ KĐB thường được chế tạo với cuộn cảm stator có nhiều đầu dây ra để có thể thay đổi cách đấu dây tương ứng với số đôi cực mong muốn Tùy theo khả năng thay đổi số đôi cực này mà động cơ KĐB được gọi là có 2, 3, 4 cấp độ.
Việc thay đổi cực từ do đổi nối cuộn cảm stator có thể làm thay đổi điện áp Uph đặt vào cuộn pha, điện trở R1 và cảm kháng X1 Điều này dẫn đến sự thay đổi độ trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth.
Hình 1-5 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ
1.3.4 Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor
Trường hợp này chỉ có đối với động cơ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối điện trở ngoài qua hệ vòng trượt - chổi than Động cơ rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thay đổi được điện trở mạch rotor.
Việc thay đổi điện trở mạch rotor chỉ có thể thực hiện về phía tăng điện trở R ’ 2 Khi tăng R ’ 2 thì độ trượt tới hạn sth cũng tăng lên, còn tốc độ đồng bộ ω và moment tới hạn Mth giữ nguyên.
Đặc tính cơ điện nhân tạo khi thay đổi điện trở mạch roto được biểu diễn như hình vẽ Điện trở mạch roto càng lớn thì đặc tính càng dốc.
Hình 1-6 Sơ đồ nối dây và họ đặc tính cơ khi thay đổi điẹn trở mạch rotor của động cơ không đồng bộ 1.3.5 Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ
Khi thay đổi tần số cấp điện f1, hệ số trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth sẽ thay đổi theo Điều này là do tần số f1 ảnh hưởng đến tốc độ đồng bộ ω, từ đó ảnh hưởng đến biên độ X1 và X2 (với X = 2πfL) Từ đó, các đặc tính cơ điện của động cơ không đồng bộ cũng sẽ bị ảnh hưởng như được thể hiện trong Hình 1-7.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và moment tới hạn theo tần số Mth F(f1) là phức tạp nhưng vì ω và X1 phụ thuộc tỉ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth rút ra:
Hình 1-7 Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số của động cơ không đồng bộ
KHỞI ĐỘNG VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ KHỞI ĐỘNG
Yêu cầu khởi động và các phương pháp khởi động của động cơ không đồng bộ nhìn chung không khác biệt so với động cơ một chiều kích từ độc lập.
Khi đóng điện trực tiếp vào động cơ không đồng bộ để mở máy thì do lúc đầu rotor chưa quay, độ trượt lớn (s=1) nên sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng lớn.
Dòng điện này có trị số đặc biệt lớn ở các động cơ có công suất trung bình và lớn, tạo nên nhiệt đốt nóng động cơ và gây xung lực có hại cho động cơ.
Hình 1-8 Đặc tính động cơ không đồng bộ khi mở máy trực tiếp Tuy dòng điện lớn nhưng moment mở máy lại nhỏ :
Để hạn chế dòng điện khởi động và tăng mô-men khởi động của động cơ rôto dây quấn, người ta đưa điện trở phụ vào mạch rôto trong quá trình khởi động Sau khi động cơ đạt tốc độ ổn định, các điện trở phụ này được loại bỏ dần theo từng cấp.
Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình 1-9.
Hình 1-9 Sơ đồ mở máy động cơ không đồng bộ qua ba cấp điện trở phụ và đặc tính cơ tương ứng. 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:
- Dựa vào các thông số của động cơ vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
- Chọn các trị số của moment M 1 ≤0.85M th
- Từ M1 và M2 đóng song song với trục tung cắt đặc tính tự nhiên tại a và b, đường này cắt đường song song với trục hoành qua ω tại N Lấy N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động Phương pháp vẽ giống như đối với động cơ kích từ độc lập.
ĐẶC TÍNH CƠ TRONG CÁC TRẠNG THÁI HÃM
1.5.1 Hãm tái sinh Đặc tính hãm tái sinh của động cơ KĐB như hình vẽ Động cơ điện xoay chiều KĐB ở chế độ hãm tái sinh khi tốc độ cơ vượt quá tốc độ đồng bộ ω Khi hãm tái sinh thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát.
Hình 1-10 Các đặc tính cơ của động cơ KĐB khi hãm tái sinh a) Trường hợp hạ tải ở máy nâng; b) Trường hợp điều chỉnh giảm tần số dòng điện dòng stator 1.5.2 Hãm ngược
Trạng thái hãm ngược động cơ không đồng bộ cũng giống như ở động cơ điện một chiều, có thể nhận được bằng hai cách: nhờ tải trọng kéo được và nhờ đổi nối thứ tự dòng điện stator để buộc động cơ quay theo chiều ngược với chiều từ trường quay So với khi động cơ làm việc ở trạng thái cơ, và kể cả so với khi rotor đứng yên (động cơ ngắn mạch), ở trạng thái hãm ngược các thanh dẫn cắt từ trường quay của stator với tốc độ cao hơn, do đó sức điện động và dòng điện rotor lớn hơn.Vì vậy hãm ngược có khả năng tạo ra moment hãm lớn, tác dụng hãm máy rất mạnh, thời gian hãm dừng máy có thể rất ngắn.
Tuy nhiên, cũng vì thế mà thường yêu cầu hạn chế dòng điện hãm Thực tết trường hợp hãm ngược để hạ tải trọng (hãm nhờ tải trọng kéo) được thực hiện bằng cách nối tăng điện trở phụ vào mạch rotor của động cơ rotor dây quấn , nên điện trở này bản thân nó đã có tác dụng hạn chế dòng điện Hình 1-11 đưa ra sơ đồ nối điện trở phụ để hạ tải ở trạng thái hãm ngược và các đặc tính cơ tương ứng.
Hình 1-11 Hãm ngược nhờ tải trọng kéo (hạ tải) thực hiện bằng cách nối điện trở phụ vào mạch rotor (đoạn cd) dùng cho động cơ rotor dây quấn.
Trường hợp hãm ngược nhờ đổi thứ tự pha điện áp stator dùng được cho cả động cơ rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc Tuy nhiên, nếu là động cơ rotor dây quấn thì người ta luôn luôn nối thêm vài cấp điện trở phụ để vừa hạn chế dòng điện, vừa làm tăng moment hãm (hình 1-12).
Hãm ngược bằng cách đảo thứ tự pha điện áp stator là sử dụng cho động cơ lồng sóc và động cơ rotor dây quấn có Rf ≠0 Còn hãm động năng được thực hiện bằng cách cắt stator ra khỏi lưới điện và cấp dòng điện một chiều vào stator để kích từ, đồng thời thay đổi dòng điện kích từ bằng biến trở Rkt.
Hình 1-13 Sơ đồ nối dây hãm động năng động cơ không đồng bộ
Vì cuộn dây stator của động cơ là ba pha nên khi cấp kích từ một chiều phải tiến hành đổi nối và có thể thực hiện theo một trong các sơ đồ sau.
YÊU CẦU MỞ MÁY QUA BA CẤP ĐIỆN TRỞ PHỤ
2.1.1 Sơ lược về động cơ ac không đồng bộ ba pha rotor dây quấn
Tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục dùng động cơ AC không đồng bộ 3 pha có các số liệu sau đây:
P đm (Kw) Công suất động cơ 53
U 1đm (V) Điện áp định mức 400
N 1 Số vòng mỗi pha dây quấn stator 63
N 2 Số vòng mỗi pha dây quấn rotor 33
K dq1 Hệ số dây quấn stator 0,953
K dq2 Hệ số dây quấn rotor 0,953
R 1 (Ω)) Điện trở dây quấn stator 0,23
R 2 (Ω)) Điện trở dây quấn rotor 0,04
X (Ω)) Điện kháng dây quấn stator 0,33
X 2 (Ω)) Điện kháng dây quấn rotor 0,053 m 1 Số pha dây quấn stator 3 m 2 Số pha dây quấn rotor 3
I 0 Dòng điện không tải 33 η Hiệu suất 0,83 cosφ Hệ số công suất 0,833
Dây quấn Rotor và Stator được đấu Y/Y
Sức từ động trên stator > sức từ động trên rotor 20% Động cơ làm việc ở tần số 50Hz
Yêu cầu tính toán và thiết kế như sau :
- Động cơ mở máy qua 3 cấp điện trở phụ Tính điện trở phụ mở máy, biết rằng động cơ kéo tải định mức.
- Tính toán điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch rotor để nâng tải lên với các tốc độ lần lượt là: 1/2nđm và 1/4 nđm
- Tính toán các điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch rotor để hạ tải với các tốc độ lần lượt là: 1/4nđm , 1/2nđm, nđm, 2nđm Biết rằng moment cản khi hạ tải là 0,8 lần Mđm.
2.1.2 Đặc tính cơ tự nhiên:
2.1.2.1 Xác định dòng điện định mức Stator I1đm:
Do dây quấn Stator đấu Y nên:
2.1.2.2 Xác định dòng điện định mức Rotor I2đm:
Ta có sức từ động F= m √ 2 π ∗N∗k dq p ∗I
Vì sức từ động trên stator lớn hơn sức từ động trên rotor là 20%
Lập tỷ lệ ta có: I = 0.8∗m 1 ∗N 1 ∗k dq1 ∗I 1 đm =0.8∗3∗63∗0.953∗110.658.99(A)
Do dây quấn Stator đấu Y nên:
2.1.2.3 Xác định các thành phần trở kháng ngắn mạch Điện kháng ngắn mạch: X N =X 1 +X 1 '
X 2 ' : điện kháng rotor qui đổi về stator
-Hệ số qui đổi sức điện động: k e =N 1 ∗k dq1
- Hệ số qui đổi dòng điện: k i =1 k e = 1
- Hệ số quy đổi trở kháng: k R =k X =k e k i =k e 2 =3.64 Điện trở và điện kháng quy đổi của rotor sang stato:
X 2 ' =k e 2 X 2 =3.64∗0.053=0.19(Ω) Điện trở và điện kháng ngắn mạch:
2.1.2.4 Tính dòng điện mở máy Imm
Dòng điện mở máy: I mm =
2.1.2.5 Bội số dòng điện mở máy KI
Bội số dòng điện mở máy:
Dòng điện rotor qui đổi về stator:
1.91 48(A) 2.1.2.6 Tính tốc độ trượt định mức sđm
Dòng điện rotor qui đổi về stator có thể tính từ sơ dồ thay thế:
2.1.2.7 Tính tốc độ định mức của động cơ nđm n đm `f p (1−s đm )`∗50
2.1.2.8 Khả năng quá tải của động cơ:
Phương trình đặc tính cơ:
M đm =2M max (1+α s max ) s đm s max +s max s đm +α s max
2.1.2.9 Tính toán moment định mức Mđm
Giá trị moment định mức:
Giá trị momet cực đại:
Giá trị moment mở máy: (s=1)
Tọa độ điểm đồng bộ M=0, s=0, nV1 (vòng/phút)
Tọa độ điểm tới hạn ( M max ;s max ¿=(1594.35;0.26) Điểm mở máy s=1, n=0, Mmm= 920.85 (N.m)
Hình 2.1 Đường đặc tính cơ tự nhiên 2.1.3 Tính điện trở phụ mở máy, động cơ mở máy qua 3 cấp điện trở phụ bằng phương pháp đồ thị
2.1.3.1 Moment lớn nhất và nhỏ nhất trong quá tình mở máy
2.1.3.2 Tính toán điện trở phụ:
Từ đồ thị ta có:
Hình 2.2 Đặc tính cơ khi khởi động qua 3 cấp điện trở
Trên đường số (1), ta có:
2.698∗0.04=0.072(Ω) Trên đường số (2), ta có:
2.698 ∗0.04=0.211(Ω) Trên đường số (3), ta có:
Tính toán điện trở phụ đóng vào mạch rotor để động cơ nâng tải định mức với tốc độ bằng 1/4 tốc độ định mức
Theo đề bài ta có: Moment cản khi hạ tải là 0.8 lần M đm
4.1 Tính toán điện trở phụ đóng vào mạch rotor để động cơ hạ tải với tốc độ bằng 1/4 tốc độ định mức
- Với tốc độ đồng bộ: n 0`f p `∗50
- Suy ra độ trượt động cơ ở tốc độ n 3=−140(vòng/phút) : s 3 =n 0 −n 3 n 0 `0−(−140)
Phương trình đặc tính cơ đường số 3 :
- Vì động cơ hạ tải với Mc = 0.8Mđm
- Suy ra điện trở phụ cẩn đóng vào mạch rotor để động cơ hạ tải với tốc độ bằng 1/4 tốc độ định mức:
4.2 Tớnh toỏn điợ̀n trở phụ đúng vào mạch rotor đờ̉ đụ̣ng cơ hạ tải với tụ́c đụ̣ bằng ẵ tốc độ định mức
Tính toán điện trở phụ đóng vào mạch rotor để động cơ hạ tải với tốc độ bằng 2 tốc độ định mức ………………………………………………………………………….… 35 KẾT LUẬN
Chúng em chân thành cảm ơn Thầy, các Cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật và các bạn học chung lớp đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung giúp đở cho quyển đồ án được thực hiện thành công.
