Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Trang 1

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 của 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 đổi, 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 đến 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

Trang 2

STT Nội dung Trang

Chương 1 Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha 3

1.3 Ảnh hưởng của tham số đến dạng đặc tính cơ 12

1.4 Khởi động và tính điện trở khởi động 17

Chương 2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 21

Chương 3 Nội dung tính toán 33

Chương 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động 38

Chương 5 Tính chọn van động lực 43

Trang 3

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 tốt 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: Pđm

+ Điện áp dây stato: Uđm

+Dòng điện dây stato: Iđm

Trang 4

+ 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 tiếp 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, thường 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

Trang 5

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 n1=

p

f

60 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 trường 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 n1, 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 n2

Trang 6

Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo

1

n

Khi rôto đứng yên (n=0) => s=1

Khi rôto quay định mức s= 0,02÷0,06 Tốc độ động cơ là:

n= n1(1-s)=60 (1 s)

p

f

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 năng lượng

n N

S

Trang 7

- 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 sự 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

Trang 8

Trang 8 http://www.ebook.edu.vn SVTH: Bùi Văn Dưỡng-Lớp 05TĐH2

Trong đó:

o Rμ, Xμ, Iμ lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện của mạch từ hóa

o R1,X1,I2 lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện mạch Stator

o U1P: Điện áp pha đặt vào Stator

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 X1, X2 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 U1f trên một pha mà giữ yên rôto(không quay) thì mỗi pha của cuộn dây rôto sẽ xuất hiện sức điện động E2pha. đmtheo nguyên lý máy biến áp Hệ số quy đổi sức điện động là:

KE=

đm pha

f

E

U

2

Trang 9

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:

' 2 1

1

)(

)

S

R R

U f

+++

P

=0

R R S

R U

2

2 ' 2 1 0

' 2

2 1

3ω

(1.9)

Trang 10

Trong đó: Xnm=X1+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

' 2

nm

X R

2

3

2 2 1 1 0

2 1

nm

f

X R R

Để đơn giản người ta tuyến tính hóa đoạn làm việc từ ω0 →ωđm như đường 1 trên (hình 4 )

Trang 11

Hình 4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

1.3 Ảnh hưởng của các tham số đến dạng đặc tính cơ

1.3.1.Ảnh hưởng của điện áp:

Khi điện áp đặt vào động cơ giảm:

• Từ phương trình: Mth=

)(

2

3

2 2 1 1 0

2 1

nm

f

X R R

'

nm

th

X R

R S

+

= không thay đổi

- Mth nói lên khả năng quá tải của động cơ

Trang 12

Mth2

Hình 5.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha khi thay đổi điện áp

Đặc tính này thích hợp với phụ tải bơm và quạt gió, không thích hợp với phụ tải không đổi ngoài ra đối với động cơ công suất lớn với phụ tải bơm hoặc quạt gió; người

ta dùng phương pháp tăng dần điện áp đặt vào động cơ để hạn chế dòng điện khi khởi động

1.3.2.Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch Stator

- Khi thêm điện trở phụ R f vào Stator thì ω không đổi, độ trượt tới hạn 0 S th giảm, momen tới hạn M th giảm

- Khi thêm điện kháng phụ X f vào mạch Stator thì tốc độ ω0 không đổi, độ trượt tới hạn S th giảm, momen tới hạn M th giảm

Trang 13

Chú ý: Nên chọn R f hoặc X f sao cho có cùng một mômen khởi động (Mnm), thì đường đặc tính ứng với R f nằm gần trục tung hơn vì nó có tổn thất năng lượng lớn hơn

1.3.3.Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Roto

Đối với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn người ta mắc thêm R f vào mạch rôto

để hạn chế dòng điện khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ

Khi đưa R f vào mạch rôto thì ω =const; 0 M th=const; S th=

Hình 6: Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn rôtor

1.3.4.Ảnh hưởng của số đôi cực từ p

Để thay đổi số đôi cực ở stato người ta thường thay đổi cách đấu dây vì:

Trang 14

)1(

2)1(

Hình 7 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực, M th= const

Trang 15

M(N.m) 0

ω 02

ω 01

p=1 p=2

8

.3

f L

U p

Trang 16

Trên (hình 9) trình bày đặc tính cơ khi f1< f1đm với điều kiện Φ=const thì Mthgiữ không đổi Ở vùng f1 > f1đm, Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

Trang 17

Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo

1.4 Khởi động và tính điện trở khởi động

- Đối với động cơ Rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động và tăng mômen khởi

động người ta đưa điện trở phụ vào mạch Rôto trong quá trình khởi động sau đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình vẽ

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động

• Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động ta có thể sử dụng sơ đồ các đặc tính

đã được tuyến tính hóa trong đoạn khởi động

¾ Quá trình tính toán khởi động như sau:

• Bước 1: Dựa vào các thông số định mức của động cơ tiến hành vẽ đường đặc tính

cơ tự nhiên

• Bước 2: Chọn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất cho phép trong quá trình mở máy.

Trang 18

Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Nguyễn Thị Thảo

Chọn : M1≤0,85M th

M2 ≥(1,1÷1,3)M đm

- Từ M1, M2 dóng song song với trục tung nó sẽ cắt đường đặc tính cơ tự nhiên tại

a và b, đường này cắt đường thẳng song song với trục hoành xuất phát từ ω0 tại N Lấy

N làm điểm đồng quy xuất phát của các đặc tính khởi động Phương pháp này vẽ giống

như đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Bước 3: xác định điện trở khởi động

Ta biết:

2

2 2

R

R R S

Kd Kf R

1.5 HÃM MÁY

1.5.1.Hãm tái sinh :

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ ω của rôto lớn hơn tốc độ đồng bộ ω Khi hãm tái 0

sinh động cơ sẽ làm việc trạng thái máy phát, sđđ ở thanh dẫn rôto E2 đổi chiều , khi đó

ω >ω 0

Ta thấy rằng khi chuyển sang hãm tái sinh S< 0, như vậy chỉ có thành phần tác

dụng của dòng điện rôto đổi chiều, do đó mômen đổi chiều, còn thành phần phản kháng

vẫn giữ nguyên chiều cũ Ở trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát

Trang 19

điện song song với lưới, trả công suất tác dụng về lưới còn vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì từ trường quay

1.5.3.Hãm động năng:

Trạng 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 quay với tốc độ ω , các thanh dẫn rôto cắt từ trường đứng yên sinh ra sđđ cảm ứng

E2 có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Do mạch rôto khép kín, trong thanh dẫn rôto có dòng I2cùng chiều với E2 Tương tác giữa dòng điện I2 và từ trường đứng yên

Φ tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Lực F sinh ra mômen hãm Mh có chiều ngược với chiều quay của rôto làm rôto quay chậm lại và E2cũng giảm dần

Trang 20

Hãm động năng kích từ độc lập thì từ thông Φ= const Hãm động năng tự kích từ thông Φ= Var

Trang 21

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 nghiệp từ công suất nhỏ đến công 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 triển công nghệ bán dẫn công 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 pháp xung điện trở mạch rôto

- Điều chỉnh công suất trượt PS

- 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 bộ ba pha phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều(ĐAXC) Nếu coi ĐAXC là nguồn áp lý tưởng (Zb=0) thì căn cứ vào biểu thức mômen tới hạn có quan hệ sau:

Trang 22

th

U th

Công thức (2.1) trên đúng với mọi giá trị điện áp và mômen

Nếu tốc độ quay là không đổi: M*

Trong đó:

Uđm- là điện áp định mức của động cơ

Ub- là điện áp đầu ra của ĐAXC

Mth- là mômen tới hạn khi điện áp là định mức

Mu- mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh

Mgh- mômen giới hạn khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rp

ω