Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 1 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 LỜI NÓI ĐẦU Thế kỉ XXI – thế kỉ của công nghệ thông tin, của khoa học kĩ thuật và công nghệ tự động. Nhằm đáp ứng nhu cầu của sự phát triển, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Truyền động điện ra đời là một trong những yếu tố quan trọng: • Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng củ a một công nghệ sản xuất. • Truyền động điện là một hệ thống máy móc được thiết kế với nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng. • Hệ thống truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc thay đổi. Hiện nay khoảng 70-80% các hệ truyền động là loại không đổ i, với các hệ thống này tốc độ hoạt động của động cơ hầu như không cần điều khiển, trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại 20-25% các hệ thống điều khiển được tốc độ động cơ để phối hợp được các đặc tính động cơ với đặc tính tải yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn và kĩ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa sản xuất. Do đó nội dung của tập đồ án chủ yếu tính toán và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Tập đồ án này có thể làm tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến vấn đề liên quan đế n động cơ không đồng bộ ba pha. Vì kiến thức và thời gian có hạn, kinh nghiệm thực tế không nhiều, nên tập đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Dưỡng Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 2 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 STT Nội dung Trang Lời nói đầu 1 Mục lục 2 Chương 1 Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha 3 1.1 Giới thiệu chung 3 1.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 8 1.3 Ảnh hưởng của tham số đến dạng đặc tính cơ 12 1.4 Khởi động và tính điện trở khởi động 17 1.5 Hãm máy 18 Chương 2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 21 2.1 Khái niệm chung 21 2.2 Điều chỉnh điện áp động cơ 21 2.3 Điều chỉnh điện trở mạch rôto 25 2.4 Điều chỉnh công suất trượ t 29 2.5 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho ĐCKĐB 31 Chương 3 Nội dung tính toán 33 3.1 Vẽ đặc tính cơ tự nhiên 33 3.2 Vẽ đặc tính cơ nhân tạo 36 Chương 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động 38 4.1 Mạch lực 38 4.2 Mạch điều khiển 38 4.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 41 Chương 5 Tính chọn van động lực 43 5.1 Điện áp ngược trên các van 44 5.2 Dòng điện làm việc trên các van 44 Lời cảm ơn 46 Tài liệu tham khảo 47 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 3 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Chương 1 ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1.Giới thiệu chung 1.1.1.Khái niệm máy điện không đồng bộ - Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều ,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ , có tốc độ của rôtor(n) khác với tốc độ từ trường quay trong máy(n). Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ động cơ và máy phát. - Máy phát không đồng bộ ít được dùng vì đặc tính làm việc không t ốt so với máy phát đồng bộ. Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sinh hoạt. Động cơ không đồng bộ có các loại: động cơ không đồng bộ 3 pha, 2 pha và một pha. - Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ là: + Công suất cơ có ích trên trục: P đm . + Điện áp dây stato: U đm . +Dòng điện dây stato: I đm . + Tốc độ quay rôto: n đm . + Hệ số công suất: cos ϕ đm . + Hiệu suất: η đm . 1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha a) Cấu tạo: Động cơ không đồng bộ ba pha là một loại của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chủ yếu : stato và rôto. - Stato (phần tĩnh): Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 4 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 + Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ, vỏ máy thường làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000KW) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Tùy theo cách làm nguội của máy mà vỏ máy cũng khác nhau. + Lõi thép: làm nhiệm vụ dẫn từ. Lõi thép có dạng hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm được dập rãnh bên trong ghép lại. Khi có đường kính ngoài lõi thép nhỏ hơn 990mm dùng cả tấm thép tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn. Mỗi lá thép kĩ thuật đều có sơn phủ cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. + Dây quấn: được làm bằng dây điện từ lõi đồng có bọc cách điện được đặt trong các rãnh của lõi thép và cách điện tốt với lõi thép. - Rôto (phần quay): + Lõi thép: người ta dùng các lá thép kỹ thuật như ở stato. Lõi thép được ép trực ti ếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của là thép được xẻ rãnh để đặt dây quấn. + Dây quấn: Loại rôto kiểu lồng sóc: dây quấn là các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong các rãnh của lõi thép, hơi dài hơn lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Loại rôto kiểu dây quấn: rôto có dây quấn giống như dây quấn stato, thườ ng được đấu hình sao, còn 3 đầu kia được đấu vào vành trượt thường được làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm của động cơ roto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch roto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn roto được nối ngắn mạch. Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 5 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Dây quâ´n Stato dâ´u Y Chô?i Than Va`nh truo?t Hình 1. Sơ đồ nối dây máy điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn b) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n 1 = p f60 . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng các sức điện động (chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải). Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto kéo rôto quay cùng chiều từ tr ường quay với tốc độ n. Chú ý: Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta phải căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường. Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều từ trường. Tốc độ n của máy luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n 1 , vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn stato không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0. Độ lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n 2 . Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 6 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 n 2 = n 1 - n (1.1) Hệ số trượt của tốc độ là: S= 1 2 n n = 1 1 n nn − (1.2) Khi rôto đứng yên (n=0) => s=1 Khi rôto quay định mức s= 0,02 ÷ 0,06. Tốc độ động cơ là: n= n 1 (1-s)= )1( 60 s p f − (v/f) (1.3) Hình 2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của ĐC KĐB XC ba pha 1.1.3. Đặc điểm và ứng dụng của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha a) Đặc điểm: - Mômen mở máy phải lớn để thích ứng với phụ tải. - Dòng mômen phải nhỏ để khỏi ảnh hưởng đến các phụ tải khác. - Thời gian mở máy nhỏ để có thể làm việc được ngay. - Thiết bị mở máy đơn giản, rẻ tiền và ít tốn n ăng lượng. n N S Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 7 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 b) Ứng dụng: Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt: - Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… - Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm . - Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với s ự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. 1.2.Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ 1.2.1. Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ ba pha Hình 3 Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ ba pha I 1 p U 1 μ R μ X μ I 1 R 2 I 1 X 2 X s R ' 2 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD : Nguyễn Thị Thảo Trang 8 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Trong đó: o R μ , X μ , I μ lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện của mạch từ hóa o 211 ,, IXR lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện mạch Stator. o P U 1 : Điện áp pha đặt vào Stator. o X 2 , R ' 2 /s lần lượt là điện trở, điện kháng Rotor đã quy đổi về Stator. 1.2.2. Phương trình đặc tính cơ Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha ta sử dụng sơ đồ thay thế. Trên (hình 1) là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ ba pha. Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây: - Coi 3 pha là đối xứng - Các thông số của dộng cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bão hòa nên điện kháng X 1 , X 2 không đổi. - Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato của động cơ. - Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép - Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha. Khi cuộn dây stato được cấp điện với điện áp định mức U f 1 trên một pha mà giữ yên rôto(không quay) thì mỗi pha của cuộn dây rôto sẽ xuất hiện sức điện động E đmpha.2 theo nguyên lý máy biến áp. Hệ số quy đổi sức điện động là: K E = đmpha f E U .2 1 (1.4) Từ đó có hệ số quy đổi của dòng điện: K I = E K 1 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD : Nguyễn Thị Thảo Trang 9 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Với các hệ số quy đổi này các đại lượng điện ở mạch rôto có thể quy đổi về phía mạch stato theo cách sau: - Dòng điện: I ' 2 = K I .I 2 - Điện kháng: X ' 2 =K 2 .X X - Điện trở: R ' 2 =K 2 . R R Dòng điện rôto quy đổi về phía stato có thể tính từ sơ đồ thay thế: I ' 2 = 2' 21 2 ' 2 1 1 )()( XX S R R U f +++ (1.5) Khi động cơ hoạt động, công suất điện từ P 2,1 từ stato chuyển sang rôto thành công suất cơ P co đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt 2 P Δ đốt nóng cuộn dây. P 2,1 = P co + 2 P Δ (1.6) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mômen điện từ M đt của động cơ bằng mômen cơ M co . M đt = M co = M Từ đó: P 2,1 =M. 0 ω = M. ω + MP . 2 Δ = ωω − Δ 0 2 P = 0 2 . ω S PΔ (1.7) Công suất nhiệt cuộn dây ba pha là: 2 PΔ =3.R ' 2 .I ' 2 2 (1.8) Thay (1.8) vào (1.5) sau đó thay vào (1.7) ta được: M= ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + nm f X S R RS RU 2 2 ' 2 10 ' 2 2 1 . 3 ω (1.9) Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Trang 10 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Trong đó: X nm =X 1 +X ' 2 là điện kháng ngắn mạch Phương trình (1.9) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong như (hình 2). Có thể xác định được điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải 0= dS dM ta sẽ được trị số M và S tại điểm cực trị ký hiệu là M th và S th (mômen và độ trượt tới hạn ) cụ thể là: S th = 22 1 ' 2 nm XR R + ± (1.20) Thay (1.20) vào (1.19) ta có M th : M th = )(2 3 22 110 2 1 nm f XRR U +± ± ω (1.21) Trong hai biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát. Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn M th ở chế độ động cơ. Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ người ta quan tâm đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 th SS ≤≤ . Để đơn giản người ta tuyến tính hóa đoạn làm việc từ 0 ω đm ω → như đường 1 trên (hình 4 ). [...]... - Điều chỉnh công suất trượt P S - Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số 2.2 Điều chỉnh điện áp động cơ Mômen động cơ không đồng bộ ba pha tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số (hình ) Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng. .. suất trung bình và chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác Sở dĩ vậy là do động cơ không đồng bộ kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp nguồn ba pha Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ, đó là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha khó khăn hơn động cơ một chiều Trong thời gian gần đây, do phát... suất và kỹ thuật điên tử tin học Động cơ không đồng bộ mới được khai thác các ưu điểm của mình Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động Thyristor- động cơ một chiều Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha như sau: - Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ điều áp xoay chiều - Điều chỉnh điện trở rôto bằng phương... thiên theo tốc độ quay 2.3 Điều chỉnh điện trở mạch rôto Như đã phân tích ở phần đặc tính cơ động cơ không đồng bộ ba pha, có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto Ta có thể điều chỉnh trơn bằng các van dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hóa việc điều chỉnh Điện trở trong của mạch rôto động cơ không đồng bộ: R r = R rd + R p Trong đó: R... dải điều chỉnh tốc độ và mômen Như thấy trên (hình 2.1b), tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay Sơ đồ điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ ba pha như (hình 2.2) a U dk FX Rω T1 c b T4 T3 T6 T5 T2 LUG Ða? chiê` o u Uωd Uω FT ÐK Rf Hình 12 Sơ đồ cơ bản và dạng đặc tính cơ. .. Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo Hãm động năng kích từ độc lập thì từ thông Φ = const Hãm động năng tự kích từ thông Φ = Var Trang 20 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 GVHD: Nguyễn Thị Thảo Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chương 2 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1.Khái niệm chung Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công... thái hãm động năng xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato của động cơ ra khỏi nguồn điện xoay chiều rồi đóng vào nguồn điện một chiều Người ta chia hãm động năng của động cơ không đồng bộ thành hãm động năng kích từ độc lập và tự kích Khi cắt stato động cơ ra khỏi lưới điện xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều Dòng điện một chiều đi trong bộ dây stato sinh ra một từ trường đứng yên Φ Động cơ đang... Rf b) a) Hình 11 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ Trang 22 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo a)Sơ đồ khối nguyên lý b)Đặc tính cơ điều chỉnh Vì độ trượt S th của đặc tính cơ tự nhiên nhỏ, nên nói chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ điện rôto lồng sóc Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cần... phương án điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha vì: - Phương án này có thể kết hợp với điều kiện mở máy(hạn chế dòng mở máy) Trang 29 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN - GVHD: Nguyễn Thị Thảo Thiết bị đơn giản, dễ vận hành Khi sử dụng phương án này đặc tính của động cơ được giữ nguyên dải điều chỉnh. .. Dưỡng-Lớp 05TĐH2 Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo R p - là điện trở ngoài mắc thêm vào mạch rôto Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha, tức là đoạn có độ trượt từ S=0 đến S=S th là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết: . 33 3. 1 Vẽ đặc tính cơ tự nhiên 33 3. 2 Vẽ đặc tính cơ nhân tạo 36 Chương 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động 38 . không đồng bộ ba pha rôto dây quấn b) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stato