tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp uf = const

Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được kha

LỜI M Ở ĐẦU

Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trở thành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế, nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ.

Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa Công nghệ Tự động hóa (TĐH) đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia Chính vì vậy Tự Động Hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công nghiệp.

Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW Tuy nhiên các hệ điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn.

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều

khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành

thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai.

Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học.

Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo, gợi

ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài này.

Trong quá nghiên cứu, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, kính mong sự giúp đỡ của các thầy cô để đề tài này được hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng nhưtrong sinh hoạt Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện chiều, vìchúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắcnghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã

mở ra một triển vọng lớn cho các loại động cơ không đồng bộ

Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm sau:

+ Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều.

+ Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm

+ Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

2.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ.

Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn Điều nàylàm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậmchí có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện ápnguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tảihầu như chỉ có tính cảm Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1 Khi tảităng lên dòng điện bắt đầu tăng Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trongsuốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải Vì vậy khi tăng tải hệ số côngsuất cũng tăng Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điệntrong động cơ không hoàn toàn sin Điêu này cũng làm giảm chất lượng công suấtnguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn hoặc đảo chiều động cơ Độchính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suấtlao động cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng, trước phương pháphãm cơ được dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm Tuynhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn

Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ nhưquạt, máy bơm, ở những lọa tải này mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, côngsuất tỷ lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ này phụ thuộcváo tải có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động

cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào mà điều này không thể thực hiệnđối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.

Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điệntrong động cơ có chứa nhiều thành phần bậc cao Điều này làm tăng tổn thất trongđộng cơ dẫn đến làm giảm tuổi thọ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ bị gợnsóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạy động ở tần số caobởi tính cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung ảnh hưởngđến các vòng đồng của rôto Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếukhông được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ

Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thôngminh Với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị công suất dẫn đến việc điều khiểnđộng cơ một cách dễ dàng hơn

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ:

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ

mạch rôto.

Đối với động cơ rôto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổiđiện trở rôto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh được thực hiện ở phía rôto.Phương pháp này còn gọi là phương pháp biến trở

Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở phụ ở mạch rôto

Điện trở tổng của mạch rôto sẽ là: R  = Rr+Rf

Trong đó: Rr là điện trở dây quấn một pha của rôto

Rf là điện trở phụ một pha nối tiếp với rôtoĐặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi điện trở mạch rôto như sau:

Hình 2-2: Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện trở mạch

rôto động cơ KĐB rôto dây quấn

Các đặc tính điều chỉnh phải thỏa mãn phương trình đặc tính cơ:

=

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là Mc và tốc độ là

 1, ứng với điểm làm việc a nên đặc tính điều chỉnh như hình 2-2

Để điều chỉnh tốc độ ta đóng Rf vào cả 3 pha của rôto, dòng điện và mômencủa động cơ giảm đột biến (bỏ qua quán tính điện từ của động cơ) cho nên điểmlàm việc trên mặt phẳng đặc tính cơ chuyển từ a qua b, tại thời điểm đó mômen củađộng cơ nhỏ hơn Mc nên hệ giảm tốc

Mặc khác vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động tăng Cảm ứngtrong rôto E2= s.E2nm tăng lên, do đó dòng điện và mômen của động cơ lại tăng lêncho đến khi M=Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới 2 <1 trạng thái này ứngvới điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh Rf Khi điều chỉnh điện trỏ Rf =0 tới Rf =R1 ta

có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong miền nằm giữa đặc tính cơ tự nhiên và đặctính cơ của biến trở với Rf=R1

Nhận xét:

+ Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm.Tuy vậy đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh khá liên tụctrong phạm vi khá rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cỡ trungbình

+ Thao tác đơn giản

+ Giá thành ban đầu cũng như chi phí bảo trì thấp

+ Đặc tính cơ dốc khi tốc độ thấp nên nên phương pháp này sẽ cho tốc độ kém

ổn định

+ Phương pháp không kinh tế vì tổn thất năng lượng lớn

Ứng dụng đối với các hệ thống làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại và không yêu cầu về ổn định tốc độ cao như: máy nâng, cầu trục, thang máy …

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực.

* Sơ đồ nguyên lý.

Phương pháp thay đổi số đôi cực thường được dùng nhiều nhất cho động cơ hai cấp tốc độ, có hai cách đấu như sau:

Hình 2-2: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ  -YY

Hình 2-3: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY

Để thay đổi số đôi cực p người ta thay đổi cách đấu dây ở stato của động cơ.Những máy đặc biệt này người ta gọi là máy đa tốc độ Số đôi cực của nó đượcthay đổi bằng hai cách khác nhau Cách thứ nhất dùng hai tổ nối dây riêng biệt mỗi

tổ có hai số đôi cực riêng, cách thứ hai dùng: dùng một tổ dây quấn stato nhưngmỗi pha được thành hai đoạn Thay đổi cách nối giữa hai đoạn đó ta sẽ thay đổi mộtđôi cực p Cách thứ nhất tạo được hai cấp tốc độ bất kỳ không phụ thuộc nhau.Cách thứ hai có sơ đồ đấu dây phức tạp và có hai cấp tốc độ phụ thuộc nhau

Khi đổi nối từ   YY: ta có những quan hệ sau: khi đấu  hai đoạn dây statođấu nối tiếp nên:

R1 = 2r1 ; X1 = 2X1

Và tương ứng R2 = 2r2 ; X2 = 2X2 ; Xnm = 2Xnm (2-4) Trong đó r1, r2, X1, X2, là các điện trở và các điện kháng mỗi đoạn dây stato và rôto.Điện áp đặt lên dây quấn mỗi pha là: Uf  =

0  1 2 nm Khi nối YY thì: R1YY = 1 r1 ; X1YY =

(2-9).2 R  R2  X 2  2 r  r2  X 2 

0YY  1YY 1YY nmYY  0  1 1 nm 

So sánh hai công thức (2-6) và (2-9) ta thấy:

Như vậy khi nối  - YY thì tốc độ lý tưởng không tải tăng hai lần, s th giữ

nguyên, mômen tới hạn Mth giảm 1

3

Đặc tính cơ của nó có dạng:

R

Hình 2-3: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho

phép khi đổi nối dây quấn stato Y- YY

Nhận xét:

 Ưu điểm của phương pháp thay đổi số đôi cực p là thiết bị đơn giản, giáthành hạ, các đặc tính cơ đều cứng, khả năng điều chỉnh triệt để Độ chínhxác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể

 Nhược điển lớn nhất của phương pháp này là có độ tinh kém (nhảy cấp), dảiđiều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn nên động cơ đa tốc đượcchế tạo với công suất dưới 2030 kW và được sử dụng trong một số máy cắtkim loại và nâng bơm ly tâm và của quạt gió

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào động cơ.

Trong đó: Mtu: mômen tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh.

U2: điện áp ra của bộ biến đổi

Hình 2-5: Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điện trở

phụ trong mạch rôto.

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ.Khi dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trởphụ vào mạch rôto như hình (2-4) thì khi đó:

Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U2=U1) thì ta được đặc tính mềm hơn

r2

đặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh).

M tu  M U 2

Sth =constKhi xét đến tổng trở của bộ biến đổi thì việc xác định đặc tính giới hạn cóphức tạp Khi đó ta xem điện trở rb và điện kháng xb của bộ biến đổi có giá trị cốđịnh không phụ thuộc vào điện áp U2 Lúc đó:

Dạng đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 2-6

Hình 2-6: Đặc tính điều chỉnh khi dùng điện trở phụ vào mạch rôto.

f

b) Phương pháp dùng bộ điều chỉnh điện áp bằng thyristor.

Đây là bộ điều chỉnh được ứng dụng ngày càng nhiều trong điều chỉnh tốc độđộng cơ không đồng bộ vì có nhiều ưu điểm so với bộ biến đổi xoay chiều khácnhư dùng biến áp tự ngẫu, dùng khếch đại từ…

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dùng thyristor

Bộ điều chỉnh thyristor này tương đối đơn giản gồm 6 thyristor Khi ở trạngthái xác lập, các thyristor mở ở những góc kích như nhau và không đổi Khi đó

T1,T3,T5, dẫn ở nữa chu kỳ dương, T2,T4,T6 dẫn ở nữa chu kỳ âm của lưới điện.Điện áp đặt vào stato của động cơ U2 (điện áp ra của bộ biến đổi) là nhữngphần đường hình sin trên đồ thị sau:

Hình 2-8: Đồ thị điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh thyristor

Giả thiết đường cong trên hình (2-8) là đồ thị điện áp của pha A đưa vào stato củađộng cơ qua hai thyristor T1,T4

Nếu T1 mở ở góc  =0 thì T1 sẽ dẫn cho đến thời điểm  , do điện áp lướidương đặt vào Anot, và sau đó dẫn từ  đến  + là nhờ năng lượng điện từ tíchtrong dây quấn stator

Tương tự thyristor T4 dẫn ở nữa chu kỳ âm và góc  phụ thuộc vào độ trượt s

Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh ta bỏ qua điện trở của thyristor Khi thyristor đangdẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với những góc  khác nhau được vẽ trên hình(2-9) Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điềuchỉnh có thể khác với độ trượt st

Hình 2-9: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

dùng bộ điều khiển thyristor

* Nhận xét và ứng dụng:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổiđiện áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng thyristor vì thựchiện dễ dàng và tự động hóa Xét về chỉ tiêu năng lượng tuy tổn thất trong bộ biếnđổi không đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thấtphụ trong động cơ lớn do đó hiệu suất không cao

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp thườngdùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt thônggió, máy li tâm …

2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số:

Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực theo công thức:

mômen động cơ tỷ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thôngkhông đổi cũng như giữ cho mômen không đổi Có thể kể ra các luật điều khiểnsau:

+ Luật U/f không đổi ; U/f =const

+ Luật dòng điện không tải không đổi.I0=const

+ Luật hệ số quá tải không đổi =Mth/Mc =const

+ Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc I1=f()

* Phương thức điều khiển U/f =const

Suất điện động của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông 1và tần số f1 theo

Ta có công thức tính mômen của động cơ như sau:

Với f1 là tần số làm việc của động cơ, fđm là tần số định mức.

Theo luật U/f =const: U1 U 1dm



3 

2 1dm '

' 2

R

o

1 a

2

2

2Dựa trên công thức trên ta thấy các giá trị X1 và ' phụ thuộc vào tần số trongkhi R1 lại là hằng số Như vậy khi hoạt động ở tần số cao giá trị X1+ X ' >>R1/a, sụt

áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần nhưkhông đổi Mômen cực đại của động cơ gần như không đổi

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn

so với giá trị (X1+ X ' ) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi mômen tải lớn.Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông mômen cực đại

Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cấp thêm cho động cơ điệnmột điện áp một chiều U0 để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 từ đó ta có

Hình 2-10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và tần số

theo quy luật điều khiển U/f=const

Từ hình (2-10) ta có nhận xét sau:

- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốc độđịnh mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ địnhmức Mômen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này

- Có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tụctăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức

Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến mômen giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bảncác hệ số ảnh hưởng đến mômen trở nên phức tạp

- Việc tăng tốc và giảm tốc có thể thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổicủa tần số theo thời gian

2.2.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp cuộn kháng bão hòa:

Cuộn kháng bão hòa là thiết bị điện từ có trị số điện kháng có thể biến đổiđược, về mặt cấu tạo cuộn kháng gồm ba bộ phận chính:

* Lõi sắt: được chia thành hai lõi giống nhau, để khử ảnh hưởng của từ thông xoay chiều đối với cuộn một chiều

* Cuộn làm việc Wlv được nối tiếp với phụ tải zpt, cuộn làm việc có điện kháng thay đổi được

* Cuộn khống chế Wkc:

Cuộn kháng có ba đến bốn cuộn khống chế Trong đó có một cuộn khống chếchủ đạo, các cuộn còn lại dùng làm phản hồi trong hệ thống truyền động Quấn lênhai lõi sắt được đặt vào điện áp một chiều tạo ra dòng khống chế Ikc

Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cuộn kháng bão hòa, người

ta dùng cuộn kháng bão hòa ba pha hoặc cuộn kháng bão hòa một pha có điềukhiển đồng thời, mắc ở mạch stato hay rôto theo sơ đồ nguyên lý: