Đồ án: "Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha " pdf

Trờng Đại học SPKT Nam Định khoa điện - điện tử bộ môn kỹ thuật điều khiển Đồ án tự động hóa Sinh viên thực hiện: Trn Duy Cng 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 Ngày nhận đề : 7-10-2010 Ngày nộp đồ án : 27-11-2010 Nhiệm vụ của đề tài: - Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ - Lựa chọn phơng án mạch lực và mạch điều khiển - Tính các phần tử mạch lực và mạch điều khiển. Kết quả cần đạt đợc: Bản thuyết minh đồ án môn học Ngày tháng năm 2010 Khoa điện - điện tử Nguyễn Đức Hỗ Bộ môn kt điều khiển Phạm Văn Chính Giáo viên hớng dẫn ThS.Phạm Thị Hoa 1 Lêi nãi ®Çu Việc tìm ra và phát triển nguồn năng lượng điện có thể nói là một sự kiện vĩ đại nhất của con người, mà cũng chính nhờ sự kiện vĩ đại đó mà đã khiến cho thế giới thay đổi hoàn toàn: thế giới chuyển từ hình thức lao động giản đơn lên thời kỳ đại công nghiệp, sức lao động được giải phóng, năng suất lao đông tăng cao… con người dần làm chủ thế giới. Và một trong những công cụ đắc lực nhất giúp đạt được những gì như ngày hôm nay đó chính là máy móc. Kể từ khi máy móc được phát minh ra thì ngay lập tức nó đã được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống từ những cỗ máy công suất nhỏ chỉ vài mmW tới hàng nghìn W,đặc biệt là trong công nghiệp thì nó là tất cả. Nền công nghiệp càng phát triển thì kèm theo đó điều kiện cần là máy công 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 được quan 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 đã tập trung đi sâu vào lĩnh vực điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha với các nội dung chủ yếu sau: các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, và từ đó sẽ chọn ra một phương án hiệu quả nhất cho việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện xoay chiều 3 pha ro to lồng sóc. Nam Định, ngày…, thang11, năm 2010 Sinh Viên Trần Duy Cường 2 Stato Rotor Dây quấn stato Chơng I Các phơng 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 đợc gắn vào bệ động cơ với 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 các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm đặt trong các rãnh rotor, hai đầu các thanh dẫn nối tắt với nhau bằng vòng ngắn mạch. - Rotor dây quấn (rotor pha) có ba đầu dây ra của dây quấn đợc nối với ba vòng đồng ở đầu rotor, tiếp xúc với ba chổi than ở stato để dẫn ra ngoài. Hình 1.1: Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ 3 I.2 Nguyên lý làm việc Khi nối dây quấn Stato vào lới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trờng quay. Từ trờng này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E 2 sẽ sinh ra dòng điện I 2 chạy trong dây quấn. Chiều của sức điện động và chiều dòng in đợc xác định theo qui tắc bàn tay phải. n 1 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 hớng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía dới rôto hớng từ ngoài vào trong. Dòng điện I 2 tác động tơng hỗ với từ trờng stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trờng. Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trờng quay stato n 1 . Có sự chuyển động tơng đối giữa rôto và từ trờng quay stato duy trì đợc dòng điện I 2 và mômen M. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trờng quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ. Đặc trng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trợt: 1 1 n nn S = (1.1) Trong đó: n tốc độ quay của roto 1 f tần số dòng điện lới P số đôi cực n 1 tốc độ quay của từ trờng quay (tốc độ đồng bộ của động cơ) P f n 1 1 60 = (1.2) Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n 1 thay đổi làm cho n thay đổi. Khi mở máy thì n = 0 và S = 1 gọi là độ trợt của máy. 4 Dòng điện trong dây cuốn và từ trờng quay tác dụng tơng hỗ nên nhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trờng quay cũng chịu tác dụng của mômen M theo chiều ngợc lại. Muốn cho từ trờng quay với tốc độ n 1 thì nó phải nhận một công suất đa vào gọi là công suất điện từ. 60 2 1 1 n MMP t == (1.3) Khi đó công suất điện đa vào: cos3 1 UIP = (1.4) Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên dây quấn điện trở stato. 2 1 2 11 3 IrP d = (1.5) Tổn hao sắt: PP st = (1.6) sttt PPPP = 1 Công suất cơ ở trục là: 60 2 ' 2 n MMP == (1.7) Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn rôto: 22 dt PPP = (1.8) Trong đó: 2222 rImP d = (1.9) m 2 số pha của dây cuốn rôto Vì t PP < ' 2 do đó n < n 1 Công suất cơ của P 2 đa ra nhỏ hơn ' 2 P vì còn tổn hao do ma sát trên trục động cơ và tổn hao phụ khác: fco PPPP == ' 22 (1.10) Hiệu suất của động cơ: )9.08.0( 1 2 ữ== P P (1.11) II Các đại lợng cơ bản của động cơ không đồng bộ II.1 Hệ số trợt: 5 Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và tốc độ của từ trờng quay stato n 1 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 ữ 100% Trong đó: p f n 1 1 60 = (1.14) )1( 1 snn = (1.15) II.2 Sức điện động của mạch rôto lúc đứng yên m WfKE = 220220 44,4 (1.16) Trong đó: m trị số cực đại của từ thông trong mạch từ K 2 là hệ số dây quấn rôto của động cơ 20 f tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì rôto đứng yên nên: 60 1 20 Pn f = (1.17) 20 f bằng với tần số dòng điện đa vào 1 f II.3 Sức điện động khi roto quay: Tần số trong dây quấn rôto là: Vậy 12 sff s = Sức điện động trên dây quấn rôto lúc đó là: 6 1 1 n nn s = o o o o n nn S 100 1 1 = 6060 )( 1 1 11 2 pn n nnpnn f Xs = = mKWfE ss = 2222 44,4 (1-13) (1-18) (1-19) (1-20) (1.12) Với 12 . fsf s = thế vào (1.19), ta đợc: II.4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ: Phơng trình đặc tính cơ: ( ) ++ + = ' 21 2 1 ' 21 xx s r rw .r3U M (1) Biểu thức (1) là phơng trình đặc tính cơ, biểu diễn quan hệ m = f(n). Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trợt và cho d m /d s = 0. Ta có hệ số trợt t- ơng ứng với mômen tới hạn m t gọi là hệ số trợt tới hạn: S th = ' 2 2 ' 2 2 1 2 ( ) r r x x+ + (2) Do đó ta có biểu thức mômen tới hạn: M th = ( ) 2 1 2 2 1 1 1 3 . 2 . n pU w r r x + + (3) Ta có dạng đơn giản của phơng trình đặc tính cơ nh sau: - Từ (1)(2)&(3) có: = ' 2 2 2 1 n r r x+ (4) M = ( ) 2 1 2 th th th M s s s s + + + (5) 7 SKWfE ms = 2212 44,4 (1-21) - Đối với động cơ rôto lồng sóc có công suất lớn thì r 1 <<x n nên bỏ qua r 1 và = 0 M = 2 th th th M s s s s + (6) Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ II.5 Ưu nhợc điểm của động cơ không đồng bộ a Ưu điểm - Trong công nghiệp hiện nay phần lớn đều sử dụng động cơ không đồng 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 lới điện xoay chiều ba pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi . Vận hành tin cậy, giảm chi phí vận hành bảo trì sửa chữa. Theo cấu tạo ngời ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc. b Nhợc điểm Bên cạnh những u điểm động cơ không đồng bộ ba pha cũng có các nh- ợc điểm sau: - Dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lới tăng và đối với rôto khi điện áp lới giảm. - 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 giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phơng điện áp. 8 III Các phơng 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 đổi tần số. Ta có: Phơng trình điện áp dây quấn stato . U 1 = . I 1 1 Z - 1 E Trong đó: 1 Z = R 1 + JX 1 là tổng trở dây quấn stato - R 1 Là điện trở dây quấn stato - X 1 = 2 fL 1 là điện kháng tản dây quấn stato đặc trng cho từ thông tản stato - f. Tần số dòng điện stato - L 1 . Điện cảm tản stato - E 1 Sức điện động pha stato do từ thông của từ trờng quay sinh ra có trị số là: E 1 = 4,44 fw 1 kdq 1 max (1) - w 1 , kdq 1 Thứ tự là số vòng dây quấn và hệ số dây quấn của một pha stato - Hệ số dây quấn kdq 1 < 1, nói nên sự giảm sức điện động của dây quấn do quấn rải rác trên rãnh và bớc rút ngắn. - max Biên độ từ thông của trờng quay 9 Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ Từ phơng trình: (1) Ta có max tỉ lệ thuận với tỉ số f U 1 . Khi thay đổi tần số ngời ta mong muốn giữ cho max không đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số điện áp U 1 và điều 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 điều chỉnh cả nhóm động cơ lồng sóc. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số cho phép 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 trờng hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều chỉnh 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 thay đổi 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 nh nhau. Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở rôto cũng phải thay đổi theo. Do đó rất khó thực hiện cho động cơ rôto dây quấn, nên phơng pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở rôto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp tốc độ thì 10 [...]... III.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi iện trở mạch rôto Thay đổi điện trở mạch rôto, bằng cách mắc biến trở ba pha vào mạch rôto Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thớc lớn hơn so với biến trở mở máy Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khi có biến trở điều chỉnh tốc độ Ta thấy rằng khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm 15 Nếu mômen cản không đổi,... điểm đó ở đồ án này em dùng ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số làm phơng án để điều điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 16 Chơng II Lựa chọn phơng án mạch lực và mạch điều khiển I Phơng án mạch lực Sơ đồ mạch lực: Chỉnh lu Lọc Nghịch lu Đ C I.1 Bộ chỉnh lu Bộ chỉnh lu có chức năng biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, ở đây ta dùng mạch chỉnh lu hình cầu không điều... số động cơ không đồng bộ ba pha rôtg lồng sóc: Công suất định mức: P m = 1KW Tốc độ định mức n = 1450 vòng/phút Hệ số cos = 0.95 Điện áp lới: 220 /38 0V Hiệu suất = 0,9 Hế số quá tải = 1,8 P1 = Pm 1000 = = 111.1 W 0.9 I Tính chọn mạch lực I.1 Bộ lọc -Tính cuộn cảm L Một cách tơng đối ta xem năng lợng tiêu tán trên bộ điều chỉnh điện áp và bộ lọc là không đáng kể thì ta có: U I = U I Hay I = Z I Điện. .. lần một phần 3 chu kỳ ( 4 /3 ): 1 /3 chu kỳ đối với Diode trên và 1 /3 chu kỳ đối với Diode dới - Trị số tức thời của điện áp tải U d bằng hiệu của trị tức thời điện áp của hai pha đang cấp dòng cho tải I.2 Bộ Lọc - Sơ đồ khối: Bộ lọc là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lu và bộ nghịch lu Bộ lọc LC đợc dùng cho bộ chỉnh lu công suất lớn Bộ lọc này cho phép thành phần một chiều của điện áp chỉnh lu đi qua... OP1P 3 74S00 R2 5k U?:A U? 1 2 2 & 74S00 R3 OP1P 5k 1 Vi mạch 555 có 8 chân: 1 Nối với cực âm của nguồn nuôi 30 3 3 2 Kích lật, khi V(2) = 2E /3 thì V (3) = 0 3 Cổng ra, V (3) min = 0,1V; V (3) max = E - 0.5V; I (3) max = 0,2A 4 Chân khóa, khi V(4) = 0 thì V (3) = 0 Nên không cần khóa khi nối 4 vào 8 5 Lọc nhiễu, thờng tụ điện 0,01 àF đấu giữa chân 5 và chân 1 6 Ngỡng lật, V(6) = 2E /3 thì V (3) = 0 7 Chân phóng điện. .. thờng đợc đấu với tụ điện C của mạch ngoài 8 Nối với cực dơng nguồn nuôi E = 5 ữ 18V tiêu thụ dòng điện 0,7mA/1V nguồn nuôi (10mA khi E = 15V) II.1.1 Bộ phát xung chữ nhật Điện thế cổng vào + của OA1 là 2E /3 + Điện thế cổng vào - của 0A2 là E /3 + Tụ điện C nạp điện từ nguồn E qua R 1 và D + Tụ điện C phóng điện qua R 2 và Transictor T Bộ phát xung chữ nhật 2E /3 E /3 V3 31 II.1.2 Sơ đồ phát xung R1 4... - 30 0 (He) 30 0 - 36 0 (Hf) Trên pha B: Trên pha C: U fA = U U= U U= U U= - U U= - U U= - U - Bảng chuyển trạng thái của Diode: D1 D2 D3 D4 D5 D6 0 1 0 0 0 0 0 60 0 1 0 0 0 0 120 0 0 1 0 0 0 180 0 0 0 1 0 0 240 0 0 0 0 1 0 30 0 0 0 0 0 0 1 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 26 27 I.4.2 .Động. .. Nếu mômen cản không đổi, dòng rôto không đổi, khi tăng điện trở để giảm tốc độ, sẽ tăng tổn hao công suất trong biến trở, do đó phơng pháp này không kinh tế Tuy nhiên phơng pháp đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tơng đối rộng, đợc sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ công suất cỡ trung bình Từ những phơng pháp điều chỉnh trên ta thấy phơng pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số có... đặc điểm sau: + Có điện áp đặt nên van nhỏ hơn 2 lần so với hình tia + Điện áp đầu ra phía chỉnh lu có độ nhấp nhô thấp chất lợng điều chỉnh 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 Nhng ở sơ đồ hình cầu có Dioed nhiều hơn 3 van nên giá thành đắt hơn Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha Dạng sóng đầu ra 18 Nguyên lý hoạt động: Mạch dùng 6 Diode... tóm tắt hoạt động: Khoảng t1 ữ t 2 t 2 ữ t3 t3 ữ t 4 t 4 ữ t5 t5 ữ t6 t6 ữ t7 Chiều dòng điện Từ A đến B A-C B-C B-A C-A C-B Diode mở 1 và 6 1-2 3- 2 3- 4 5-4 5-6 Điện áp tải U d u 2 a ữ u 2b u 2 a ữ u 2c u 2b ữ u 2 c u 2b ữ u 2 a u 2c ữ u 2 a u 2 c ữ u 2b Dòng tải bao giờ cũng xuất phát từ điểm có điện thế cao nhất tới điểm có điện thế thấp nhất - Mỗi Diode cho dòng chảy qua 1 /3 chu kỳ ( 2 /3) 19 - Mỗi . cấu tạo ngời ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc. b Nhợc điểm Bên cạnh những u điểm động cơ không đồng bộ ba pha cũng có các nh- ợc. (1.10) Hiệu suất của động cơ: )9.08.0( 1 2 ữ== P P (1.11) II Các đại lợng cơ bản của động cơ không đồng bộ II.1 Hệ số trợt: 5 Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và tốc độ của từ trờng. tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khi có biến trở điều chỉnh tốc độ. Ta thấy rằng khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm. 15 Nếu mômen cản không đổi, dòng rôto không