Đồ án thiết kế khởi động mềm xoay chiều 3 pha cho động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHỞI ĐỘNG MỀM 1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha -Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ.Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay trong máy. - Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,dải công suất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp.Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha,còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW ) 1.1.1 Cấu tạo Cũng như các máy điện quay khác,động cơ không đồng bộ ba pha cũng gồm các bộ phận chính sau: -Phần tĩnh(stator) -Phần quay(rotor) a/Stator Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn -Vỏ máy:Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator,vỏ có dạng trụ rỗng,có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ 1 trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất bé thì thường là vỏ bằng nhôm,còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang. -Lõi thép:Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện với nhau(nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng.Mặt trong của các lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator -Dây quấn stator:Được quấn thành từng các mô bin,mà các cạnh của mô bin đó được đặt vào lõi thép stator.Các mô bin được cách điện nhau và cách điện với lõi thép b/Rotor Gồm có lõi thép,trục máy và dây quấn -Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây,còn ở giữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy.Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy,mặt ngoài của trụ là cá rãnh để đặt dây quấn rotor.Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trong các lá thép của stator -Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor.Trục được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy. -Dây quấn rotor có hai loại:loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn +Loại rotor kiểu lồng sóc:Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch ở hai đầu.Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn,vành ngắn mạch,cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát.Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắn chặt vào vành ngắn mạch. 2 +Loại rotor dây quấn:cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấn stator và có cùng số cực từ dây quấn stator.Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện với trục.Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện 1.1.2 Nguyên lý hoạt động -Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quy với tốc độ n1=60f/p(f là tần số lưới điện,p là số cặp cực).Từ trường quay này sẽ quét lên dây quấn,nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn stator xuất hiện dòng I2 chạy qua.Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở.Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quay rotor. 1.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ . Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năg mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.Ví dụ như 3 Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc công suất lớn nếu ta mở máy trực tiếp sẽ làm nứt rotor. Dẫn đến khởi động không tải thì được nhưng khi đóng tải vào thì máy lại không chạy. Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau: 1. Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ bản của tải. 2. Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. 3. Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn. 4. Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. Những yêu cầ trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi mômen mở máy lớn thì dòng điện mở máy cũng lớn hoặc thiết bị mở máy đắt tiền. Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp. 1.2.1 Phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy . Sơ đồ nối dây như hình 1. Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện. Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cách đóng tiếp điểm K 2 vào và mở K 1 ra) Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là k T (k T < 1) thì: 4 U L ATM T K 1 K 2 RLN I 1 I ’ k U ’ k Hình 2: Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu - Điện áp đầu cực động cơ : U ’ k = k T .U 1 - Dòng điện mở máy : I ’ K = k T .I K - Mômen mở máy : M ’ K = 2 T k .M K Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I 1 (dòng điện bên sơ cấp máy biến áp tự ngẫu) thì dòng điện I 1 = k T .I ’ K = 2 T k .I K Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn 2 T k lần. Ưu điểm: - Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu. - Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn kháng thì ta có mômen máy lớn hơn. - Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp,cao áp. Nhược điểm; - Mômen mở máy giảm - Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu 1.2.2 Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato Sơ đồ nối dây như hình 2. Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K 1 của công tắc tơ thì điện kháng này bị nối ngắn mạch. 5 U L U L ATM Cuộn kháng K 1 RLN U ’ k I ’ k Hình 3: Hạ điện áp mở máy bằng cuộn kháng Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết. Do có điện áp giáng trên điện kháng nên diện áp mở máy trên đầu cực động cơ U ’ K sẽ nhỏ hơn điện áp lưới. Gọi dòng điện mở máy và mômen khi mở máy trực tiếp là I K và M K . Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì sau khi thêm điện kháng vào: Dòng điện mở máy còn lại là : I ’ K = k.I K Điện áp đầu cực động cơ điện là : U ’ K = k.U K Mômen mở máy là : M ’ K = k 2 .M K Trong đó: k < 1. Ưu điểm: - Thiết bị khởi động đơn giản - Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu - Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp. Nhược điểm: - Khi giảm dòng điện khởi động xuống thì mômen mở máy giảm đi bình phương lần. 1.2.3 Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - ∆ Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu tam giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có U 1 / 3 . Sau khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu ∆. Sơ đồ cách đấu dây như hình 3. Khi mở máy thì đóng ATM, tiếp điểm K Y đóng, còn tiếp điểm K ∆ mở, như vậy máy đấu Y. Khi máy đã chạy rồi thì đóng tiếp điểm K ∆ , máy đấu ∆ Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn đấu Y thì ta có: 6 U L ATM K ∆ RLN K Y Hình 4: Mở máy bằng cách đổi nối Y - ∆ - Điện áp pha trên dây quấn là : U kf = 1 U 3 1 - Dòng điện pha khi mở máy là : kf ' kf I 3 1 I = - Mômen khi mở máy là : k ' k M 3 1 M = Khi mở máy trực tiếp máy đấu ∆ khi ấy - Điện áp pha trên dây quấn là : U kf = U 1 - Dòng điện pha khi mở máy là : kfk I.3I = Như vậy khi mở máy đấu Y thì: - Dòng điện pha khi mở máy là : I 1 = kkf ' kf I 3 1 I 3 1 I == - Mômen khi mở máy là: k ' k M 3 1 M = Trường hợp này tương tự như dùng một máy biến áp tự ngẫu mở máy mà tỷ số biến đổi điện áp k T = 3 1 . Ưu điểm: - Phương pháp này đơn giản, được áp dụng rộng rãi với những động cơ điện khi làm việc đấu tam giác. - Phương pháp này dùng cho động cơ hạ áp. Nhược điểm: - Không dùng cho động cơ Y/∆ = 220/380. Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu 1.2.4 Khởi động động cơ sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 4. Ứng với các góc mở α khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảm nhỏ khác nhau 7 Hình 5: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 4. Ứng với các góc mở α khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảm nhỏ khác nhau Ưu điểm: - Mở máy động cơ dễ dàng bằng cách điều khiển góc mở α lớn để hạn chế dòng điện mở máy. - Áp dụng cho tất cả các loại động cơ ở các cấp điện áp khác nhau. Nhược điểm: - Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng. 1.3 Tổng quan về công nghệ khởi động mềm 1.3.1 Giới thiệu chung về công nghệ khởi động mềm Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới. - Sử dụng phương pháp Biến tần. 8 ĐC RLN ATM Thyristor U L - Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều. + Ưu điểm: Thiết bị điều khiển nhỏ gọn. Khả năng đáp ứng nhanh. Đặc tính điều chỉnh trơn. Dễ đồng bộ hóa với việc điều khiển toàn hệ thống. Phù hợp với nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp. Có thể thực hiện việc dừng mềm khi có nhu cầu. Với giá thành hiện nay, chi phí lắp hệ thống khởi động mềm cũng không cao. Sử dụng được cho những động cơ công suất lớn. + Nhược điểm: Dạng điện áp và dòng điện qua điều khiển cấp cho tải sẽ không còn là hình sin trong dải điều chỉnh. Do mạch điều khiển phức tạp nên người vận hành cần phải có một trình độ hiểu biết nhất định. Việc kiểm tra bảo trì phức tạp hơn. - Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) . Toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở thyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới. Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải. Có chức năng bảo vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha Những đặc điểm khác: - Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt. - Có chức năng điều khiển và bảo vệ. - Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz. - Có phần mềm chuyên dụng đi kèm. - Lắp và đặt chức năng dễ dàng. 1.3.2 Phạm vi ứng dụng - Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu. - Động cơ bơm. - Động cơ vân hành non tải lâu dài. 9 - Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải ) - Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt … 1.3.3 Kĩ thuật khởi động và dừng a. Những nét chính Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha. Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp. Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngược) trong mạch lực. Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện áp là thay đổi. Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừng tại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn. Giải thích: IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp. IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp. In – Dòng điện định mức của động cơ. Us – Điện áp bắt đầu ramp. Un – Điện áp định mức của động cơ. 10 [...]... khin m theo trỡnh t 1 ,3, 5,1 ,3, 5 +Khi ti 3 pha i xng thỡ in ỏp ti,dũng in ti thỡ in ỏp ti,dũng in ti cỏc pha cú dng nh nhau,lch nhau 2 /3. Do ú ta xột dũng in ti pha a Gi thit in ỏp ngun 3 pha i xng: ua + ub + uc =0 ua = 2 Usin ub= 2 Usin ( - 2 /3) uc = 2 Usin ( - 4 /3) uab= ua - ub = 6 Usin ( +/6) uab= ua - ub = 6 Usin ( - /6) Tiristo T1 c mi = ,cũn T3 = +2 /3 v T5 = +4 /3 Ba dũng in ia , ib,... ny thit k b khi ng mm cho ng c khụng ng b 3 pha rotor lng súc 2 .3 Thit k mch lc 2 .3. 1 Tớnh toỏn chn van bỏn dn cụng sut T th in ỏp ca b iu chnh in ỏp xoay chiu 3 pha ta s tớnh c in ỏp ngc ln nht t lờn Tiristor v Diot v dũng trung bỡnh qua chỳng Vic tớnh chn Tiristor v Diot s da vo cỏc thụng s Ungmax v Itb Theo bi ng c 3 pha m ta cn iu khin cú cỏc thụng s sau: P = 30 KW U =38 0V cos = 0.82 n=1448... U= 12V, khi ú Ucmax =30 +12+1= 43( V) Chn transistor T loi ST6 03 cú cỏc thụng s c bn sau: UCE = 30 V ; ICE = 800mV = 100 3. 3 .3 Khụi tao nguụn mụt chiờu Khi to ngun 1 chiu cung cp in ỏp mt chiu cho cỏc khuch i thut toỏn hot ng v cho cỏc in ỏp t u u vo cỏc IC thc hin nhim v so sỏnh in ỏp.Ta cú s sau: +E 7815 D21 D 23 C3 C21 D22 C2 D24 C4 7915 *Chn IC n ỏp loi: UA7815 cú in ỏp ngng =35 V Dũng in ra I0 =1,5A... Ungmax= 2 U m= 2 38 0 = 537 ,40(V) in ỏp van cn cú l: Uv = ku.Ungmax = 1,6x 537 ,40 = 859,84(V) Ku - l h s d tr in ỏp Dũng in ti l : P 30 .000 It = 3U cos = 0,92 x 3 x380 x0,82 = 60,42(A) dm Dũng trung bỡnh qua mi van l ; Itb = = =30 ,21 (A) Dũng in lm vic ca tiristor l 30 ,21 ( A ) l tng i ln, do ú tn hao nng lng trờn tiristor v iot cng khỏ ln vỡ vy ta phi la chn lm mỏt cho phự hp m bo cho tiristor v iot... on v loi s ni ny ch thớch hp vi loi ti 3 pha cú bn u dõy ra 13 2.1.2: B iu chnh xung ỏp xoay chiu 3 pha (dựng Tiristor+Diot) u ni sao khụng dõy trung tớnh ti u sao khụng dõy trung tớnh HINH 2.2 : S ụ mach iờu chnh xung ỏp xoay chiu 3 pha (dựng Tiristor+Diot) u ni sao khụng dõy trung tớnh ti u sao khụng dõy trung tớnh +Hỡnh dỏng v giỏ tri hiu dng ca in ỏp ti mi pha ph thuc vo thụng s mch ti v gúc m... ng b cho b iu ỏp xoay chiu ba pha iu chnh sỏu Thyritor thng cn mt h in ỏp sỏu pha lm in ỏp ng b Gúc c tớnh t gc ta O H in ỏp pha ny gm sỏu in ỏp ng b hỡnh sin lch nhau 1 gúc Yờu cu ny s tha món d dng nu dựng mt mỏy bin ỏp 3 ba pha s cp cú 3 cun dõy u sao ly in ỏp li Mỏy bin ỏp ny cú th c b trớ bng s sau: Ua A Ua B Ub Ub C Uc U Uc im trung tớnh kớ hiu l O ni vi im O ca mch iu khin u z1, uz3, uz5... ap xoay chiờu tai ba pha tam giac - u im : u im hn v mt iu khin i xng v n gin v cỏch ghộp - Nhc im : õy dũng in chy gia cỏc pha vi nhau, nờn ng thi phi cp xung iu khin cho hai Tiristo ca hai pha mt lỳc Vic cp xung iu khin nh th, ụi khi gp khú khn trong mch iu khin, ngay c vic i thc t pha ngun li cng cú th lm cho s khụng hot ng 2.2 Chn mch cụng sut T nhng phõn tớch u,nhc im trờn ta thy b iu ỏp 3 pha. .. 6 IC U U t , do ú C = C = 3 = 6.1 03 10 C C t T ú dũng qua t cú giỏ tr : IC =6.1 03 (C) Chn t : cú C = 0,22 à F IC = 0,22.10-6 6.1 03 = 1 ,32 (mA) U II 12 R5 = I = = 9,05.1 03 ( ) 1 ,32 .10 3 C Chn R5 = 8,2 (K ) Khi UII > 0 Ds khúa Ura = 0 t C s phúng in v õm ngun ca OP2 Dũng qua t bng dũng qua in tr R x2 v R4, thi gian phúng cũn li s l 9ms nờn ta phi chn giỏ tr dũng in sao cho t C phúng in v n 0V sau... 10,67.10 -3 C 6.C 0,22.10 6.6 = = 0,214.10 -3 (A) 10,67.10 3 10,67.10 3 33 U II U II 12 Vỡ : IC = R + R Rx2 + R4 = R + R = = 96,77 (k ) 0,124.10 3 x2 x2 4 iu chnh c in ỏp t C ỳng bng 0V sau 10,67ms v cú kh nng iu chnh in ỏp rng ca nhiu kờnh khỏc nhau ta chn: R4 =60k l in tr c nh, Rx2 = 60k l bin tr iu chnh Chn linh kin: OP2 : à A741 cú cỏc thụng s: Ung = + 3- 22 V ; UnF = + 15V; UdF = + 30 V; K0 =... vt quỏ nhit cho phộp thỡ van s b phỏ hng Vy van lm vic an ton thỡ ta phi thit k v chn h thng to nhit hp lý - Tn tht cng sut trờn mt Tiristor: PT = UT.Ilv = 1,4x86 ,31 = 120, 834 (W) - Tn tht cng sut trn mt Diụd: PD = UD.Ilv = 0,85x86 ,31 = 73, 36 (W) - Din tớch b mt cỏnh to nhit: 19 Sm = ==0, 13( m2) Trong ú: P: tn tht trờn van ln nht : chờnh nhit so vi mụi trng Tmt = 400C, Nhit lm vic cho phộp ca van