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

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 tí

Trêng §¹i häc SPKT Nam §Þnh

khoa ®iÖn - ®iÖn tö

bé m«n kü thuËt ®iÒu khiÓn

Việc tìm ra và phát 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 đãkhiến cho thế giới thay đổi hoàn toàn: thế giới chuyển từ hình 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 gì nhưngày hôm nay đó chính là máy móc Kể từ khi máy móc được phát minh rathì ngay lập tức nó đã được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của đờisống từ những cỗ máy công suất nhỏ chỉ vài mmW tới hàng nghìn W,đặcbiệt là trong công nghiệp thì nó là tất cả

Nền công nghiệp càng phát triển thì kèm 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 đã 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 ánhiệu 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

Stato Dây quấn stato Rotor

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 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 đợc 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 lới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽsinh ra một từ trờng quay Từ trờng này quét qua các thanh dẫn roto, làmcảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E2 sẽ sinh ra dòng điện I2chạy trong dây quấn Chiều của sức điện động và chiều dòng điện đợc xác

định theo qui tắc bàn tay phải

M

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộChiều dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía trên rôto hớng từ trong rangoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía dới rôto hớng từ ngoàivào trong

Dòng điện I2 tác động tơng hỗ với từ trờng stato tạo ra lực điện từ trêndây dẫn rôto và mômen quay làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiều quaycủa từ trờng

Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trờng quay stato n1

Có sự chuyển động tơng đối giữa rôto và từ trờng quay stato duy trì đợcdòng điện I2và mômen M Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trờngquay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

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

Dòng điện trong dây cuốn và từ trờng quay tác dụng tơng hỗ nên nhaunên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trờng quay cũng chịu tácdụng của mômen M theo chiều ngợc lại Muốn cho từ trờng quay với tốc độ

n1 thì nó phải nhận một công suất đa vào gọi là công suất điện từ

60

2 11

n M M

P đt     (1.3)

Khi đó công suất điện đa vào:

 cos 3

P  (1.4)Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên dây quấn điệntrở stato

2 2

3 I r

P 

 (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

1 s n

s  

o o

n

n n

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 đa vào f1

II.3 Sức điện động khi roto quay:

Tần số trong dây quấn rôto là:

2 1

' 2 1

x x s

r r w

.r 3U M

)

1

1 1

n

n n p n n

E2s 4 , 44 2s 2 2 

S K W f

Sth =

' 2

M s s

M s s

- 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 thànhhạ 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 Vậnhành tin cậy, giảm chi phí vận hành bảo trì sửa chữa Theo cấu tạo ngời tachia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và

- 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 phơng điện áp

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 đổitần số

Ta có: Phơng 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 trng cho

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 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 trờng 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 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 nhnhau 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 phơng 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 ở

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 thớc, trọng lợng, giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thờng dùng 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 đợc tốc độ động cơ Để có thể thay

đổi đợc số đôi cực p ngời ta phải chế tạo những động cơ điều khiển đặc biệt,

có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra đợc p khác nhau, gọi là máy đatốc

Ta cú cụng thức tớnh tốc độ của từ trường quay như sau:

n = và n= n(1-S)Theo như cụng thức trờn ta thấy rừ ràng một điều rằng khi số đụi cực(p)thay đổi thỡ kộo theo đú thỡ tốc độ động cơ (n) cũng thay đổi theo Và từđõy ta cũng cú được cỏc phương phỏp điều chỉnh tốc độ động cơ khụng đồng

bộ dựa vào số đụi cực sau:

a Phương phỏp đổi nối Y/YY

Sơ đồ nguyên lý đấu YY

Như vậy điện áp trên mỗi cuộn dây là:

U = Khi đấu Y thì:

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

M = 3U

Khi nối YY thì 2 cuộn dây nối song song nên:

R = , x =

R = , X = lúc đó M = 3U

So sánh giữa các biểu thức trên ta thấy

Nhận xét và ứng dụng

+ Nhận xét:

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 rộngGiá thanh cao

Hiệu suất sử dụng dây 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 cỏch thay đổi điện ỏp cung cấp cho Xtato

Phương phỏp này chỉ thực hiện việc giảm điện ỏp Khi giảm điện ỏpđường đặc tớnh M = f(s) sẽ thay đổi do đú hệ số trượt thay đổi, tốc độ động

cơ thay đổi

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

MC

Nhược điểm của phương phỏp điều chỉnh tốc độ quay bằng điện ỏp làgiảm khả năng quỏ tải của động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao ởdõy quấn rụto: P đt sP đt sMw1

Việc điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện ỏp được dựng chủ yếu vớicỏc động cơ cụng suất nhỏ cú 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 thớc 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 phơng pháp nàykhông 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 cơcông suất cỡ trung bình

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

Từ những u điểm đó ở đồ án này em dùng ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số làm ph ơng 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 lới điện để vận hành an toàn, cải thiện

đợc dạng sóng nguồn điện lới Ngoài ra còn có tác dụng hạn chế tốc độ tăngcủa dòng anod So với chỉnh lu không điều chỉnh hình tia thì chỉnh lu hìnhcầu 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 chỉnhtốt 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

Chỉnhlu

Lọc

ĐCNghịch

lu

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

Nguyên lý hoạt động:

Mạch dùng 6 Diode chia làm 2 nhóm:

+Nhóm lẻ: D1, D3, D5 các Katot đấu chung

+Nhóm chẵn: D2, D4 , D6 các Anot đấu chung

A

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

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

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)

- 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 dới

- 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 lu và bộ nghịch lu Bộ lọc LC

đ-ợc dùng cho bộ chỉnh lu công suất lớn Bộ lọc này cho phép thành phần mộtchiều của điện áp chỉnh lu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều, nó

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t

7

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

Để cung cấp năng lợng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏ cácthành phần hài

Để đặc trng cho chất lợng của điện áp ( hay dòng điện ) sau chỉnh lu

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

Kết quả điện áp ra trên tụ tơng 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 đa ra tải Do vậy dòng điện qua tảichỉ 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 điện

động 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 X càng lớn), do vậy điện áp ra gồm thành phần một chiều và

Biên độ sóng hài lớn nhất của It( hay Ut )Giá trị trung bình của I0 ( hay U0)

I.3 Bộ nghịch lu

Khối nghịch lu dùng để biến đổi điện áp DC sau bộ lọc thành xoay chiều

AC có tần số thay đổi đợc để cung cấp cho động cơ

Các van bán dẫn trong bộ nghịch lu có thể dùng Thyristo hoặc Tranzito Nhng phù hợp và u việt hơn cả ta dùng Tranzito Ưu điểm dễ thấy là bỏ đợcchuyển mạch cỡng, hơn nữa các tổn hao đổi chiều nhỏ hơn Bộ nghịch ludùng Tranzito có kích thớc nhỏ và nhẹ hơn bộ nghịch lu tơng đơng dùngThyristo Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục vào cực gốc trongchu kỳ dẫn của Tranzito, một khuyết điểm nữa là điện áp định mức thấp hơncủa Thyristo Tuy nhiên dùng Tranzito công suất mở rộng đợc phạm vi vàphát huy các u điểm hơn Thyristo do cải thiện đợc đại lợng định mức và giáthành Vì vậy ta xét mạch nghịch lu điện áp sơ đồ cầu dùng

van an toàn

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

Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch luPhơng pháp điều chỉnh các Tranzito thông thờng nhất là điều khiển chogóc mở của van là:  = 1800

ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao nh thiết kế bằng cách xác định điện

áp trên tải trong từng khoảng thời gian 600 ( vì cứ 600 có một sự chuyểntrạng 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

0

60 tiếp theo ( kể từ khi Tranzito trớc đó mở thì cho một Tranzito khác mở)

Nh vậy trong cùng một thời gian có 3 Tranzito mở

Trong khoảng thời gian này 0  600 thì T1, T5, T6 dẫn Chiều dòng

điện trên tải đợc xác định theo chiều mũi tên, đến thời điểm 600 thì đảotrạng thái từ T5 sang T2 Do trên tải Zc mang tính cảm nên dòng điệnkhông đảo ngay lập tức mà năng lợng tích lũy trong Zc đợc duy trì theochiều cũ, một thời gian lúc đó buộc dòng điện duy trì phải thoát qua D2 quatải về âm nguồn đến lúc dòng điện đổi chiều sẽ mang dòng điện duy trì thì

D2 khóa quá trình chuyển mạch kết thúc

Từ những lý luận nh trên ta có đợc các chuyển mạch:

I.3.2 D¹ng sãng m¹ch nghÞch lu:

§iÖn ¸p trªn tõng pha t¶i

Trªn 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

II Phơng 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 tơng ứng và thay đổi thời điểm đặt xung vào cực điều khiển đa đến bộ khuếch đại thuật toán để điều khiển từng Tranzito.

- Khâu khuếch đại xung có nhiêm vụ khuếch đại xung từ bộ phân phối xung đa đến kích mở Tranzito, ngoài ra còn sử dụng các

bộ ghép quang nhằm cách ly mạch điều khiển và mạch động lực

Phát xung

điều khiển

Bộ sosánh Khuếch đạixung

ở mạch này ta dùng IC 555 để tạo xung điều khiển.

Để đảm bảo các yêu cầu về độ chích xác của thời điểm xuất hiện xung, sự

đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau Nên thờng thiết kế cho khâu sosánh làm việc với công suất nhỏ, do đó xung ra cha đủ các thông số yêu cầu

Để khắc phục vấn đề này thì mạch điều khiển cần phải sử dụng khâu tạoxung Khâu tạo xung có thể là mạch sửa xung, mạch khuếch đại xung, mạchtruyền xung đến các thiết bị đầu vào, mạch phân chia xung

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 4vào 8

5 Lọc nhiễu, thờng tụ điện 0,01F 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  18V tiêu thụ dòng điện0,7mA/1V nguồn nuôi (10mA khi E = 15V)

II.1.1 Bộ phát xung chữ nhật

Điện thế cổng vào “ + ” của OA1 là 2E/3