Thiết kế hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng thyristor

Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp. Khi động cơ điện được đưa vào ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được sự tối ưu về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng. Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động.Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng truyền động điện xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có những vấn đề hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp. Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng Thyristor” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau:Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.Lựa chọn và tính toán mạch động lực.Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển.Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng.Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn.Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này.

Nguyễn Minh Ngọc LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp. Khi động cơ điện được đưa vào ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được sự tối ưu về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng. Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động. Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng truyền động điện xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có những vấn đề hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp. Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng Thyristor” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau: 1 Nguyễn Minh Ngọc  Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.  Lựa chọn và tính toán mạch động lực.  Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển.  Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này. CHƯƠNG I 2 Nguyễn Minh Ngọc TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA A. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, động cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac…) đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và đưa ra nhiều phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp. 3 Nguyễn Minh Ngọc Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng trăm kW. Với những ưu điểm nổi bật của nó như: giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 động cơ điện một chiều khi có cùng công suất), làm việc tin cậy chắc chắn, hiệu suất cao… Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ thống. Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như: Trong công nghiệp thường dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ … Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như làm quạt gió, máy bơm nước, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ… Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiện và mở rộng. Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của nó. Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có một số nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosϕ thấp, khống chế các quá trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc 4 Nguyễn Minh Ngọc tính khởi động tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế. Nói tóm lại, với những ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng được phát triển và cải tiến về mọi mặt. II. Mạch điện thay thế Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m 1 pha (thường m 1 = 3), trên rôto có dây quấn m 2 pha (m 2 = 3 đối với động cơ rôto dây quấn; còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m 2 > 3). Như vậy trong động cơ không đồng bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm ứng từ. Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có được hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay như sau: 5 ;ZI=E- ;I='I+I ;E='E );jx'+ s r' ('I-'E=0 );jx+(rI+E-=U m 0 • 1 • 0 • 2 • 1 • 1 • 2 • 2 2 2 • 2 • 11 1 • 1 • 1 • (I) Nguyễn Minh Ngọc Dựa vào các phương trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập được mạch điện thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay như sau: Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến đổi mạch điện thay thế hình T thành mạch điện thay thế hình à đơn giản hơn: 6 Hình 1. Mạch điện thay thế hình T của động cơ không đồng bộ. x 1 r 1 r' 2 x' 2 x m r m U 1 r' 2 (1-s)/s I 1 -I' 2 I 0 Nguyễn Minh Ngọc C 1 x 1 C 1 r 1 C² 1 r' 2 /s C² 1 x' 2 x m r m U 1 I 1 -I'' 2 I 00 r 1 x 1 Trong đó: m 1 1 Z Z 1C += • ; m 1 • 1 • 00 • ZC U =I gọi là dòng điện không tải lý tưởng, nghĩa là dòng điện không tải ứng với lúc s = 0; 1 • 2 • 2 • C 'I- =''I- gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình Ã. Thực tế, 1 C • chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có thể coi 1=+1= 1 1 • m x x C . 7 Hình 2. Mạch điện thay thế hình à của động cơ không đồng bộ. Nguyễn Minh Ngọc Như vậy: Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa: III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình à đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của dòng điện rôto đã quy đổi về stato I’ 2 là: ;'I=''I 2 • 2 • ;I=I-I=''I-I=''I 0 • 2 • 1 • 2 • 1 • 00 • (II) 8 Hình 3. Mạch điện thay thế hình à đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ. x 1 r 1 r' 2 /s x' 2 x m r m U 1 I 1 -I' 2 I 0 r 1 x 1 (1) 2 nm 2 2 1 f 2 x) s 'r r( U 'I ++ = Nguyễn Minh Ngọc Trong đó: X nm = x 1 + x’ 2 điện kháng ngắn mạch. Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto: P 12 =M đt .ω 0 Trong đó: M đt – mômen điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì M đt = M cơ , ta ký hiệu: M đt = M cơ = M Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa ra trục động cơ P cơ và công suất tổn hao trong rôto ∆P 2 nghĩa là: P 12 = P cơ + ∆P 2 hay Mω 0 = Mω + ∆P 2 do đó ∆P 2 = M (ω 0 - ω) = Mω 0 s Mặt khác: 2 2 22 'r'I3=P∆ 9 Hình 4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. ω (s=s th ) ω ω0 0 M®m Mth M Nguyễn Minh Ngọc nên s 'r'I3 M 0 2 2 2 ω = Thay (1) vào phương trình trên ta có phương trình đặc tính cơ: Kết hợp với phương trình tốc độ ω = ω 0 (1 – s) ta có dạng đường cong đặc tính cơ: 10 ]x+) s 'r +r[( 'rU3 =M 2 nm 2 2 1 0 2 2 f ω (2) [...]... LC ng c trong yờu cu ca bi toỏn thit k l loi ng c ba pha s dng in ỏp U1 = 380 V vi tn s f1 = 50 Hz v iu chnh tc ng c bng cỏch iu chnh xung in tr mch rụto Do vy, ng c c mc trc tip vo li in ba pha cú in ỏp U1 = 380 V vi tn s f1 = 50 Hz Ta iu chnh tc ng c khụng ng b bng cỏch iu chnh in tr ph mc vo mch rụto H thng in tr ph bao gm ba bin tr Rf mc vo ba pha ca dõy qun rụto thụng qua h thng vnh trt S dng... c khụng ng b ba pha rụto dõy qun ta thy phng phỏp iu chnh tc dựng in tr xung rụto l thớch hp nht CHNG II CHN V TNH TON MCH NG LC A CC THễNG S CA NG C KHễNG NG B BA PHA RễTO DY QUN Pm = 7,5 KW; nm = 695 v/ph; cosm = 0,74; I1m = 20,6 A; E20 = 254 V; r1 = 1,04 ; x1 = 0,833 ; r2 = 0,462 ; x2 = 0,611; Phm vi iu chnh D = 4 : 1; Mụmen quỏn tớnh ca ng c J /c = 0,837 Kgm2 ng c s dng ngun in ba pha cú in ỏp... lýxỏc c vi c tớnh ng Hỡnh 10 ang lm vic v lp tớnh c ca t nhiờn cú ti l c khụng ng b iu chnh bng in tr Mc v tc l 1, im lm vic l im a trờn th hỡnh 10 iu chnh tc ta úng mt in tr R f vo c ba pha rụto, khi ú in tr mi pha rụto l R 2 = r2 + R f in tr rụto tng, t s mch in thay th hỡnh 25 Nguyn Minh Ngc n gin húa ta thy dũng in stato I 1 gim t bin v do ú mụmen ca ng c cng gim Do quỏn tớnh ca ng c nờn tc... stato mt in tr ph hoc mt in khỏng ph Trong thc t, vic dựng in tr ph cú hiu qu rt kộm do cú tn hao trờn bn thõn nú, nờn ớt c 19 Nguyn Minh Ngc s dng S nguyờn lý v cỏc c tớnh iu chnh ca ng c khụng ng b ba pha khi dựng khỏng trong mch stato nh sau: U 0 Mc.cp xf Đ xf2 0 xf1 đt.gh M Hỡnh 7 S nguyờn lý v cỏc c tớnh iu chnh ca ng c khụng ng b khi dựng khỏng trong mch trong mch stato (xf1 > xf2) T mch in... cũn x 2 ln M = x2Mm Nu mụmen ti khụng i thỡ tc gim xung cũn h s trt tng lờn Theo cụng thc v mụmen M = cmI2, trong ú cm l hng s, thỡ khi in ỏp li U1 = xUm, thỡ sc in ng E v t thụng cựng bng x ln giỏ tr ban u v I2 tng lờn 1/x ln Vỡ h s trt: Pcu 2 m1 I' 2 r' 2 2 s= = Pđt M1 nờn h s trt s s bng 1/x 2 ln h s trt c v tc ng c in in ỏp U 1 = xU đm s l: n = n 1 (1 - s ) x2 Khi in ỏp khỏc vi giỏ tr nh mc, mụmen... im Mch ng lc v iu khin n gin lm cho cỏc thao tỏc iu khin d dng, chi phớ vn hnh v sa cha thp Hn ch dũng in m mỏy do ú lm tng kh nng m mỏy cho ng c T ng húa iu chnh tc d dng Nhc im Di iu chnh tc bộ Tn hao nng lng ln do ta nhit trờn in tr Rf Phm vi ng dng T cỏc u, nhc im trờn, õy l mt phng phỏp c s dng rng rói, mc dự õy khụng phi l phng phỏp 27 Nguyn Minh Ngc kinh t nht Nú c ng dng nhiu trong . CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA A. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha Trong quá trình. nhiều động cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ít được sử dụng cùng với biến tần do biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto. làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp. III. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato 1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở