Tính toán và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Thế kỉ XXI – thế kỉ của công nghệ thông tin, của khoa học kĩ thuật và công nghệ tự động.

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 chấtlượng 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 thayđổi

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

Nhóm sinh viên thực hiện:

Vũ Hồng Thái

 Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản đặc biệt

là động cơ Rotor lồng sóc So với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ giá thành hạ, vận hành tinh cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

3: Nhược điểm

 Nhược điểm của động cơ không động bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế quá trình khó khăn Riêng với các động cơ Rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động kém hơn

o R1 ,X1 ,I1lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện Rotor đã quy đổi về Stator.

o U1đm: Điện áp định mức đặt vào ba pha

o U1P: Điện áp pha đặt vào Stator



0

0 0

0

n

n n







: là độ trượt (Hệ số của động cơ)

  0: tốc độ góc của từ trường quay (rad/s)

  : tốc độ góc của từ trường (rad/s)

 n0 60p f : tốc độ của từ trường quay (vòng/phút)

 f : tần số của điện áp nguồn đặt vào Stator (Hz)

 p: là số đôi cực từ của động cơ

 n tốc độ quay của Rotor (vòng/phút)

 I' 2 K qđ I2: Dòng điện quy đổi





 

qđ qđ

K

K 1 :Hệ số quy đổi dòng điện



2 2

1 1

đm qđ

K N

K N E

U

K    : Hệ số quy đổi sức từ động

 N1, N2:Số vòng mỗi pha dây quấn Stator, Rotor

 E2đm: Sức từ động định mức xuất hiện trên hai vòng trượt Rotor khi:

- Rotor hở mạch

- Đặt điện áp vào Stator là U đm

Phương trình đặc tính tốc độ:

2 2

1

1 2

' '

N

P

X S

R R

U I

 R' R'2R'P : điện trở qui đổi

Khi mở máy tốc độ n 0 nên hệ số trượt S  1

1

1 2

'

'

N

P mm

X R R

U I

Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất động cơ

Công suất điện từ chuyển từ Startor sang Rotor

P  đt M đt  1

Trong đó :

 M đt : monment điện từ động cơ

 Pđt = Pcơ + ΔPPphụ + ΔPPcu2

1 0

2 1 ' 55

R R S

n

U R M

(2)

(2) là phương trình đặc tính cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

- Đường biểu diễn của phương trình đặc tính cơ có dạng đường cong nên tọa

độ điểm cực trị được xác định bằng cách giải phương trình  0

'

N

X R

R S

2 1

55.92

'

3

R X R n

U R M

Trong đó: (+) : ứng với trạng thái động cơ

(-) : ứng với trạng thái máy phát

- Hệ số quá tải về moment:

nm M

M

Mmax





tham số định mức của động cơ trên nhãn máy và cần thục hiện các bước sau:

M (N.m)

n (vòng/phút)

Hình 3.3 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha

Bước 1: Xác định tọa độ ba điểm đặc biệt.

 Điểm đồng bộ của từ trường: A(M  0 ,nn0)

 Với n0=60p f

 Điểm tới hạn : B (Mmax ,Smax)

p

f n

M

S

S S

S M

 2

max





max

2 max  M S S S đm 

Giải phương trình ta được:

) 1 ( 2 2

, 1 max S đm M  M 

2 1'55

,9

'

3

N

P mm

X R R n

U R M

2max max

max

S S

th

th th

aS S

S S

S

aS M

M

2

)1(2

a 

2 2 1

1 max

nm

X R

R aS

Lúc này (5) có dạng gần đúng:



S

S S

S

M M

max max

max2

U M

55,92

30

1 max 

Tọa độ điểm giới hạn:

Thay tọa độ điểm làm việc định mức vào phương trình đặc tính cơ (6)

đm đm đm

S

S S S

M M

max max

max2





S S

2

max

2max max

max

S S

0 1

M

s

n n

Đoạn đặc tính động cơ quay thuận

Đoạn đặc tính động cơ quay ngược

MF

ĐC M

Mmax  max

III ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ ĐẾN DẠNG ĐẶC TÍNH CƠ

1 Ảnh hưởng của điện áp:

Khi điện áp đặt vào động cơ giảm:

 Từ phương trình: 0  12 2 1

2 1 max

55,92

3

R X R n

U M

'

nm

X R

R S



 không thay đổi

- Mmax nói lên khả năng quá tải của động cơ

U1

U2

TN(Udm)

M (N.m)

Hình 3.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha khi thay đổi điện áp

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

- Khi thêm điện trở phụ R P vào Stator thì tốc độ đồng bộ không đổi, độ trượt tới hạn Smax giảm, moment tới hạn Mmax giảm và momet mở máy M mm cũng giảm

Hình 3.5 Động cơ không đồng bộ 3 pha khi điện trở phụ.

- Khi thêm điện kháng phụ X P (giả sử X  P R P) vào mạch Stator thì tốc độ n0

không đổi, độ trượt tới hạn giảm (vẫn còn lớn khi thêm R P), moment mở máy

mm

M giảm (bằng với khi thêm R P)

Hình 3.6 Động cơ không đồng bộ khi thêm điện kháng và điện trở phụ

Ta thấy khi thêm X Pta tăng được khả năng quá tải của động cơ (M thnói lên khả năng quá tải của động cơ)

Đặc tính cơ khi thêm R P và X Pcó dạng:

3 Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor

- Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thayđổi được điện trở mạch Rotor Việc thay đổi chỉ sử dụng đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngoài qua hệ vòng trượt - chổi than.(như hình vẽ)

- Dễ thấy điện trở mạch rotor R2-do đó điện trở quy đổi R2-chỉ có thể thay đổi về phía tăng Khi R' 2 tăng thì độ trượt tới hạn tăng, còn tốc độ đồng bộ và moment tới hạn giữ nguyên

n0

MS

Hình 3.7: Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn rotor.

4 Ảnh hưởng của số đôi cực từ P.

Ta có : 0( 1 ) 60 ( 1 S)

p

f S

n

- Khi tăng (giảm) số đôi cực từ p thì tốc độ n0 giảm (tăng) nên tốc độ quay của Rotor giảm (tăng) Còn Smax không phụ thuộc vào P nên không thay đổi, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên.Nhưng khi thay đổi số đôi cực từ

sẽ thay đổi cách đấu dây ở Stator động cơ nên một số thông số như R1, X1 có thể thay đổi Do đó tùy vào trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau dến moment tới hạnmax

n

P=1 P=2

n02

n01

p=2 p=1

n

Hình 3.9

 Đổi tốc đảm bảo moment và công suất không đổi (YY/Y)

R S

1

' '







Trong đó: f1 là tần số điện áp đặt vào Stator

Khi thay giảm f1 thì Smax và Mmax tăng nhưng Mmax tăng mạnh hơn Do đó

độ cứng đặc tính cơ tăng khi f1 giảm

- Khi f1 giảm xuống dưới f đmthì tổng trở các cuộn dây giảm nên giữ nguyên điện áp cấp U đm thì dòng điện động cơ sẽ tăng đốt nóng động cơ quá mức

- Từ biểu thức (8)

1

2 1 1

2 1 max

2 55 , 9

60 2

3 2

55 , 9

60 2

3

f L

pU L

f

P U M

- Khi tăng tốc độ thì khả năng quá tải của động cơ sẽ giảm đi Muốn giữ khả năng quá tải không thay đổi thì phải kết hợp điều chỉnh tần số và điện áp sao cho

 Như vậy Mmax sẽ giữ không đổi ở vùng f 1 f (hình 3.15) ở vùng f1>fđm

thì không thể tăng điện áp nguôn cấp mà giữ U 1 U đm nên ở vùng này Mmax sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

1 max

1

f

1 max

Hình 3.11 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số.

IV MỞ MÁY VÀ TÍNH ĐIỆN TRỞ MÁY

- đối với động cơ Rotor dây quấn để hạn chế dòng khởi động và tăng moment khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch Rotor trong quá trình khởi động sau

đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp

- khi đóng điện trực tiếp vào Stator động cơ không đồng bộ thì thoạt đầu do Rotor chưa quay ,độ trượt lớn (S  1) nên sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng lớn.

M max

Hình 3.12 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

 Quá trình 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

- Từ b dựng đường thẳng song song với trục hoành cắt II tại c, nối N với c kéo dài cắt I tại d (đường số 1)

- Từ d dựng đường thẳng song song với trục hoành, cắt I tại e , nối e với N kéo dài cắt I tại c (đường số 2)

- Từ f dựng đường thẳng song song với trục hoành, cắt II tại g , nối g với N kéo dài cắt I tại h (đường số 3)

- Tia cuối cùng phải đi qua giao điểm h là giao điểm của trục hoành và đường thẳng song song với trục tung xuất phát từ M1 Nếu không phải tiến hành chọn lại M1, M2, hoặc cả hai

 Bước 3: tính điện trở phụ bằng phương pháp đồ thị.

nm

P TN

X

R R

TN NT

TN

R R

R S

S R R

R S

2 max

max

'''

S S R

jb jd R

jb jf R

jh jb R

 Hãm tái sinh có thể thực hiện một trong hai cách trong hai cách sau:

 Cách 1: giảm tốc độ bằng phương pháp tăng số đôi cực từ đảm bảo

moment không đổi

- Lúc này hãm tái sinh xảy ra góc phần tư thứ hai.

M

Hãm tái sinh

10

S thay vào phương trình :

1 0

2 1 ' 55

R R S

n

U R M

0



Đ

M

 Đoạn Bn02 là đoạn hãm tái sinh

 Đoạn n02C : Vì nn02 S 0 nên khi thay đổi vào phương trình đặc tính cơ

 M Đ  0

 Đoạn n02C là đoạn đặc tính động cơ giảm tốc

Đến điểm C thì M  Đ M C và động cơ quay ổn định với tốc độ nhỏ C

 Cách 2: Ta tiến hành hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo cực tính 2

trong 3 pha nguồn đưa vào động cơ

Hãm tái sinh sẽ xảy ra ở gốc phần tư thứ tư

 Cách 1 : Động cơ dang quay thuận thì tiến hành đảo thứ tự 2 trong 3 pha

nguồn đưa vào động cơ thì hãm ngược xảy ra ở góc phần tư thứ hai

- Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đặc tính cơ 1 sang B trên đặc tính cơvới tốc độ A (do quán tính cơ) Quá trình hãm nối ngược bắt đầu khi tốc độ động cơ giảm theo đặc tính 2 tới điểm D thì   0, lúc này nếu cắt điện thì động

cơ sẽ dừng Đoạn hãm ngược (M Đ 0 , Đ  0) là BD, nếu không cắt điện khi  =0thì M  Đ M C nên bắt đầu tăng tốc mở máy quay ngược lại theo đặc tính 2 và làm việc ổn định tại E với tốc độ

 theo chiều ngược lại

- Khi động cơ hãm nối ngược theo đặc tính 2 điểm B ứng với moment âm trị sốnhỏ nên tác dụng hãm không hiệu quả Thực tế phải tăng cường moment hãm ban đầu

w

w

w

w w w

A 0

- Trường hợp R P quá lớn động cơ có đặc tính 3 khi hãm nối ngược thì quá trình hảm kết thúc tại I Động cơ không thể tăng tốc chạy ngược vì M  M C

 Cách 2: Ta thêm điện trở phụ vào mạch Rotor lúc đó hãm ngược xảy ra ở

góc phần tư thứ tư

* Đoạn B’C’ : Là đoạn đặc tính cơ giảm tốc

* Đoạn C’D’: Là đoạn đặc tính cơ hãm ngược thêm điện trở phụ Rp

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ Rotor dây quấn truyền động cơ cấunâng hạ tải Để dừng và hạ tải xuống động cơ được nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng nhờ mở các tiếp điểm K (công tắc tơ K thôi tác động) Đặc tính tương ứng là đường rất dốc

- Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên dường 1 sang B trên dường 2 với tốc độ   Lúc này moment động cơ M Đ M B M C nên động cơ giảm tốc độ, vật dẫn được nâng lên với tốc độ nhỏ dần, điểm làm việc của động cơ dịch chuyển

từ B xuống D theo đặc tính 2 Tới D thì   0 và vật dừng lại Do tải trọng gây moment M  C M Đ nên vật bắt đầu tụt xuống Chiều quay đảo lại, động cơ vẫn sinhmoment dương, nhưng vì M  Đ M C nên vật vẫn tiếp tục tụt xuống và lúc này động

cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược Đặc tính hãm ngược nằm ở góc phần tư thứ

IV Điểm làm việc khi hãm của động cơ dịch chuyển theo đặc tính hãm từ D tới E

- Tại E thì M Đ M E M C và động cơ quay đều, hãm ghìm vật để hạ vật xuốngđều với tốc độ E

- Ở chế độ này động cơ làm việc ờ chế độ máy phát

(N.m) M

- Để hãm động năng kích từ độc lập một động cơ không đồng bộ dang làm việc

ở chế độ động cơ ta phải cắt Stator ra khỏi lưới điện xoay chiều (mở các tiếp điểm k) cáp vào stator dòng điện một chiều để kích từ (đóng các tiếp điểm H) Thay đổi dòng kích từ nhớ R kt (hình 3.17)

- Trong cách hãm động năngkích từ độc lập, từ trường lúc hãm được tạo ra nhờnguồn một chiều bên ngoài và có giá trị không đổi Trong cách hãm động năng tự kích từ, từ trường lúc hãm được tạo ra do chính dòng điện cảm ứng của phần ứng Dòng cảm ứng xoay chiều sẽ được chỉnh lưu rồi cấp lại kích từ qua điện trớ hạn chế Từ trường hãm sẽ yếu dần khi tốc độ động cơ giảm (vì sức điện động cảm ứng giảm (hình 3.19).

H

Đ

K

H R

- Đường số 3 và số 4 có cùng I DC nhưng khác R P

- Đường số 1 và số 4 có R P4 R P1nhưng I DC4 I DC1

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ TRỤC DÙNG ĐỘNG

CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

TRỞ PHỤ Ở TỪNG CẤP BIẾT RẰNG ĐỘNG CƠ KÉO TẢI ĐỊNH MỨC:

1 2 1

2 2 1 2

2 2

1

2

nm

P thNT

nm thTN

nm th

X R

R R

S

X R

R S

X R

R S

2 1

S S

R R

R S

S

P thNT

thTN







5 72

027 0 02 0 5 27

5 37

2 3

2 2

R ib

bh

R

R ib

0161 0 0109 0 027 0

0109 0

2 3 3

1 2 2

1 1

P P P

P P P

P P

R R

r

R R

2 Tính toán các điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch rotor để nâng tải

lên với các tốc độ lần lượt là: n đm n đm

4

1 , 2 1

Ta có phương trình đặc tính cơ khi nâng tải:

S

S S

S

M

M

th th

th



 2

Để tính toán điện trở phụ đóng vào mạch rotor ta cần tính toán các đại lượng sau:

10 50 cos

3

3

1 1

đm

U

P I

I

+ Xác định dòng điện định mức cuộn rotor (I2đm) ta có:

Sức từ động ở cuộn stator lớn hơn sức từ động ở cuộn rotor 15% do đó:

2 2 1 1

2 1

1 2

1

.

N I N

I

F F

F F

85 0

2

1 1 2

2

2

N

N I I

08 0 02 , 0 2

'

2 906 0

906 0 20

40

.

2 2

2 2

1 1

2

1

N

dq dq đm

đm qđđ

R

R

K N

K N E

U

K

2 0 05 , 0 2

'

2 1

2 2 2 2 2

X X X

X K X K

X

N

qđđ qđđ

52 0

573 0 24 0 52

2 2

X aarct

R X

Z

N

N N

N N

08 0 16 0

3 380

2 2

2 2 1

1 2

N

P mm

X S

R R

U I

- Dòng điện stator đã quy đổi:

1

qđđ đm qđđ

k I

N

P đm

I

U X S

R

R

X S

R R

U I

' '

' '

1 2

2 2

1

2

2 2 1

1 2

044 0

16 0 52 0 79 114 3 380

08 0

2 1

U

R S

N đm

P đm

f

n

đm

đm đm

/ 956 044

0 1 3

50

.

60

1 60

S

M

M đm

max max

max2

S M

147 0 147 0

044 0 2

1

147 0 52 0 16 0

08 0 '

max

2 2

2 2 1

2 max

R S

- Moment định mức:

N m

n

P M

- Moment mở máy:

N m

S S

M

1

147.0147.01

1,909.21

1

.2max max

1

max

2

S

S S

2

2

.

2

2 max max

2

1

max

max 1

max

2 2

1

max

max max

max

B B

B

B B

B B B

S S S M

M S

M

M S

S

S S

S

S S

S X

M M

X S

B

B đm

B

6 409 5

, 499 82 , 0 82

1 1

max

2 '

' ' 175 2

125

.

0

175 2

0 272 0 3 , 2

0 522 0 6 , 409

522 , 0 1 , 909

.

2

2 1

1 2 1

2

R X R

X

R R X

S

loai X

nhân X

X X

X X

N P

N P

051 1 '

2 2

1 1

2

/3299564

14

1

2 2 max max

S M

M

S

phút vòng n

n

C c đm

1000

239 1000

M

S X S

X

đm C

C

6 409

82 0

2 2 max 2

3 '

2 3 '

' ) ( 18 0

) (

2 3

0 58 0 38 3

0 761 0

6 , 409

762 , 0 1 , 909 2

2 2

2 2

2 2

max

2

2

2 2

2 2

2

R X

R

X R R X

S

loai X

nhan X

X X

X X

N P

N P

+ Điện trở phụ:

584 1 '

2 2

2 2

S

M

M

max max

max

2





0

max max

D

- Phương trình (2) 2 2 0

max max

2 3

M

S X X

S

đm D

D

6 409 5 , 499 82 , 0 82 0

3 3 max

) ( 29

.

0

) ( 2 5

0 537 1 5 5

0 24 1 6 , 409

024 , 1 1 , 909 2

3

3

3 2

3

2 3

2

3

loai X

nhan X

X X

X X

2 5 '

' ' 2 5

3

3 2 3

3

max

N P

N P

X R

X

R R X

S

- Điện trở phụ khi hạ tải với tốc độ n = -1/4nđm