Nghiên cứu hệ truyền động uf động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ truyền động động không đồng ba pha rotor lồng sóc em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo ThS Nguyễn Duy Đỉnh Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 13 tháng năm 2014 Sinh viên thực Nhữ Ngọc Thắng i MỤC LỤC MỤC LỤC ii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG .2 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc chung hệ truyền động điện 1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện 1.2.1 Theo đặc điểm động điện 1.2.2 Theo tính điều chỉnh 1.2.3 Theo thiết bị biến đổi 1.2.4 Một số cách phân loại khác 1.3 Đặc tính truyền động điện 1.3.1 Đặc tính cấu sản xuất 1.4 Điều kiện ổn định tĩnh truyền động điện 1.5 Điều chỉnh tốc độ truyền động điện .8 CHƯƠNG .8 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Khái niệm ứng dụng 2.3 Nguyên lý hoạt động 10 2.4 Vận hành động không đồng 12 2.4.1 Mở máy động không đồng 12 2.4.2 Đặc tính động không đồng 12 2.5 Ảnh tần số nguồn f1 đến đặc tính 14 CHƯƠNG .17 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ .17 3.1 Điều chỉnh điện trở roto .17 3.2 Điều chỉnh điện áp Stato .20 ii 3.3 Điều chỉnh công suất trượt 24 3.4 Điều chỉnh tần số nguồn cấp .27 CHƯƠNG .32 HỆ TRUYỀN ĐỘNG U/f 32 CHƯƠNG .37 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SINPWM 37 5.1 Phương pháp điều khiển PWM đơn cực: 37 5.2 Phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực 39 5.3 So sánh hai phương pháp 40 KẾT LUẬN .41 TÀI LIỆU THAM KHẢO .42 iii Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, xu công nghiệp hóa mang lại nhiều thay đổi cho đất nước, đặc biệt lĩnh vực Tự Động Hóa Công nghệ Tự động hóa (TĐH) mang lại nhiều lợi ích cho người như: tăng suất, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm Hơn Tự Động Hóa giúp người tránh phải làm việc môi trường bất lợi hay khó tham gia Chính Tự Động Hóa ngày đóng vai trò quan trọng đời sống công nghiệp Trong công nghiệp máy điện không đồng ba pha loại động chiếm tỷ lệ lớn so với loại động khác Do kết cấu đơn giản, làm việc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy lưới điện, dải công suất động rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW Tuy nhiên hệ điều chỉnh tốc độ dùng động không đồng có tỷ lệ nhỏ so với động chiều Nhưng với đời phát triển nhanh công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, thyristor …thì hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động không đồng khai thác mạnh Nội dung đồ án tìm hiểu thiết kế biến tần truyền thống ba pha điều khiển động không đồng theo phương pháp U/f = const Từ sở lý thuyết động không đồng ba pha, phương pháp điều khiển tần số qua tìm hiều khảo sát biến tần thực tế đánh giá phương pháp điều khiển, nội dung đồ án đề xuất mô hình biến tần điều khiển động không đồng ba pha dùng hệ truyền động với giá thành thấp, đáp ứng yêu cầu thực tế Do hạn chế mặt thời gian nên phạm vi đồ án dừng lại điều khiển vòng hở động không đồng ba pha hi vọng đề tài tiếp tục phát triển tương lai Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo Khoa Điện tận tình dạy dỗ em kiến thức chuyên môn làm sở để hoàn thành đề tài tốt nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn ThS.Nguyễn Duy Đỉnh tận tình bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài Lời nói đầu Trong nghiên cứu, thời gian trình độ hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, kính mong giúp đỡ thầy cô để đề tài hoàn thiện Hà Nội, ngày 13 tháng năm 2014 Chương 1: Khái quát chung hệ truyền động điện CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc chung hệ truyền động điện Hệ truyền động điện tập hợp thiết bị : thiết bị điện , thiết bị điện tử , phục vụ cho việc biến đổi điện-cơ gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển trình biến đổi lượng ĐC BBĐ MSX R K GN VH Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ truyền động điện Chương 1: Khái quát chung hệ truyền động điện Trong đó: BBĐ: Bộ biến đổi ĐC: Động điện MSX:Máy sản xuất : Bộ điều chỉnh truyền động công nghệ : Bộ đóng cắt phục vụ truyền động công nghệ GN: Mạch ghép nối VH: Người vận hành Cấu trúc hệ TĐĐ TĐ gồm phần chính: − Phần lực (mạch lực): từ lưới điện nguồn điện cung cấp điện đến biến đổi (BBĐ) động điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các biến đổi như: biến đổi máy điện (máy phát điện chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, điều áp chiều, biến tần transistor, tiristor) Động có loại như: động chiều, xoay chiều, loại động đặc biệt − Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số công nghệ, khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ cho người vận hành Đồng thời số hệ TĐĐ TĐ khác có mạch ghép nối với thiết bị tự động khác với máy tính điều khiển 1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện Dựa theo nhiều tiêu chí khác mà người ta phân loại hệ truyền động điện Chương 1: Khái quát chung hệ truyền động điện 1.2.1 Theo đặc điểm động điện − Truyền động điện chiều: dùng động điện chiều Dùng cho máy có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ mômen, có chất lượng điều chỉnh tốt Tuy nhiên động điên chiều có giá thành cao, cấu tạo phức tạp giá thành cao − Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động điện xoay chiều không đồng Động KĐB có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều Tuy nhiên việc điều chỉnh khó khan không xác Tuy nhiên với phát triển kỹ thuật điều khiển cho phép việc điều khiển động KĐB dễ dàng nên ngày ứng dụng rộng rãi − Truyền động điện đồng bộ: Dùng động điện xoay chiều đồng pha Dùng hệ điều chỉnh công suất lớn 1.2.2 Theo tính điều chỉnh − Truyền động không điều chỉnh: Động quay máy sản xuất với tốc độ định − Truyền động có điều chỉnh: Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh tốc độ, mômen… 1.2.3 Theo thiết bị biến đổi − Hệ máy phát-động ( F-Đ) − Hệ chỉnh lư-động ( CL-Đ) 1.2.4 Một số cách phân loại khác Ngoài cách phân lạo số cách khác truyền động đảo chiều không đảo chiều, truyền động đơn truyền động nhiều động cơ, truyền động quay truyền động thẳng,… 1.3 Đặc tính truyền động điện 1.3.1 Đặc tính cấu sản xuất Đặc tính biểu thị mối quan hệ tốc độ quay mômen quay: Chương 1: Khái quát chung hệ truyền động điện Trong đó: - Tốc độ góc (rad/s) - Tốc độ quay (vg/ph) - Mômen (N.m) Đặc tính máy sản xuất quan hệ tốc độ quay mômen cản máy sản xuất: Đặc tính máy sản xuất đa dạng, nhiên phần lớn chúng biểu diễn dạng tổng quát: Trong đó: mômen cản cấu SX ứng với tốc độ mômen cản cấu SX ứng với tốc độ mômen cản cảu cấu SX ứng với tốc độ định mức Chương 1: Khái quát chung hệ truyền động điện Hình 1.2 Dạng đặc tính số máy sản xuất q = 0: Cơ cấu nâng hạ, băng tải, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại q = -1: Cơ cấu dây, giấy, chuyển động máy cắt gọt kinh loại q = 1: Máy phát điện chiều tải trở q = 2: Máy thủy khí, bơm, quạt, chân vịt… 1.3.2 Đặc tính động điện Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động Đặc tính động điện chia đặc tính tự nhiên đặc tính nhân tạo Chương 3: Các phương pháp điều khiển động điện ba pha không đồng + Luật U/f không đổi ; U/f =const + Luật dòng điện không tải không đổi + Luật hệ số tải không đổi λ= / =const =const + Luật điều khiển dòng stato theo hàm số độ sụt tốc =f(∆ω) * Phương thức điều khiển U/f =const Suất điện động cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ thông √1và tần số f1 theo biểu thức: Từ công thức bỏ qua sụt áp tổng trở stator Z1 ta có E1≈U1 đó: Như để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi Trong phương pháp U/f =const tỷ số U1/f1 giữ không đổi tỷ số định mức Cần lưu ý mômen tải tăng, dòng động tăng làm sụt áp điện trở stator dẫn đến E1 giảm, nghĩa từ thông động giảm Do động không hoàn toàn làm việc chế độ từ thông không đổi Ta có công thức tính mômen động sau: Và mômen tới hạn: 28 Chương 3: Các phương pháp điều khiển động điện ba pha không đồng Khi hoạt động định mức: Ta có công thức: Với f1 tần số làm việc động cơ, fđm tần số định mức Theo luật U/f =const: Ta thu được: U1=aU1đm f1=af1đm Phân tích tương tự ta thu =a đm, X1=aX1đm, X’2=aX2dm thay giá trị ta công thức tính mômen mômen tới hạn động tần số khác định mức: 29 Chương 3: Các phương pháp điều khiển động điện ba pha không đồng Dựa công thức ta thấy giá trị X1 X 2’ phụ thuộc vào tần số R1 lại số Như hoạt động tần số cao giá trị X1 + X 2’ >> R1/a, sụt áp R1 nhỏ nên giá trị E suy giảm dẫn đến từ thông giữ gần không đổi Mômen cực đại động gần không đổi Tuy nhiên hoạt động tần số thấp giá trị điện trở R1/a tương đối lớn so với giá trị (X1 + X2’ ) dẫn đến sụt áp nhiều điện trở stato mômen tải lớn Điều làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông mômen cực đại Để bù lại suy giảm từ thông tần số thấp, ta cấp thêm cho động điện điện áp chiều U0 để từ thông động định mức f = từ ta có quan hệ sau: U1=U0+Kf1 Với K số chọn cho giá trị U1 cấp cho động U=Uđm f=fđm Khi a>1 (f>fđm) điện áp giữ không đổi định mức Khi động hoạt động chế độ suy giảm từ thông Sau đồ thị biểu diễn mối quan hệ mômen điện áp theo tần số phương pháp điều khiển U/f=const Hình 2-10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ mômen tần số theo quy luật điều khiển U/f=const 30 Chương 3: Các phương pháp điều khiển động điện ba pha không đồng Nhận xét: - Dòng điện khởi động yêu cầu thấp -Vùng làm việc ổn định động tăng lên Thay làm việc tốc độ định mức, động làm việc từ 5% tốc độ đồng đến tốc độ định mức Mômen tạo động trì vùng làm việc -Có thể điều khiển động tần số lớn tần số định mức cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên điện áp đặt tăng điện áp định mức Do tăng tần số dẫn đến mômen giảm Ở vùng vận tốc hệ số ảnh hưởng đến mômen trở nên phức tạp -Việc tăng tốc giảm tốc thực cách điều khiển thay đổi tần số theo thời gian Ưu điểm: -Gọn nhẹ dễ điều chỉnh -Việc tăng giảm tốc độ thực linh hoạt cách thay đổi tần số theo thời gian Ứng dụng: -Sử dụng rộng rãi công nghiệp, truyền động máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ hệ thống băng tải… 31 Chương 4: Hệ truyền động U/f CHƯƠNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG U/f Như ta biết phương trình đặc tính động không đồng chịu ảnh hưởng nhiều thông số Ở đây, ta sâu tìm hiểu tác động thay đổi tần số f Khi thay đổi tần số f dẫn tới tốc độ động thay đổi, độ trượt tới hạn thay đổi, mômen tới hạn thay đổi Khi thay đổi tần số tốc độ đồng thay đổi, đồng thời ) kéo theo thay đổi độ trượt tới hạn Ta nhận thấy thay đổi Thay vào phương trình mômen tới hạn , bỏ qua điện trở dân quấn stator Mặt khác: ta có: 32 thay đổi ( là: Chương 4: Hệ truyền động U/f Đặt: Suy ra: Biểu thức cho ta thấy tang tần số nguồn mà giữ nguyen điện áp mômen tới hạn giảm nhiều Do thay đổi tần số nguồn đồng thời phải thay đổi điện áp theo quy luật định đảm bảo làm việc tương ứng động với nhiều loại tải khác Nghĩa tỷ số mômenn cực đại mômen phụ tải dạng đặc tính số: Từ biểu thức Với ta có: đặc tính tải, biểu thức thực nghiệm mang tính tổng quát 33 sau: Chương 4: Hệ truyền động U/f Khi xem biểu thức là: Thay vào ta có: Với: mômen cản tải trục quay tốc độ n mômen cản tải trục quay n = mômen cản tải trục quay n = x số mũ đặc trưng mô tả dạng đặc tính tải khác 34 Chương 4: Hệ truyền động U/f Hình 4.1 Đặc tính dạng phụ tải Như muốn điều chỉnh tốc độ động không đồng phương pháp hay đổi tần số ta phải có nguồn xoay chiều có khả điều chỉnh tần số, điện áp đồng thời theo quy luật sau: − = const: ứng với = = const ( x=0) hệ thống nâng hạ thang máy… − = const: ứng với − = const: ứng cới dạng đặc tính − = const: ứng cới dạng đặc tính = a + bn (x=1) máy phát chiều… =a+b =a+b kim loại… 35 ( x=2) quạt, máy bơm… ( x= -1) máy dây, cắt Chương 4: Hệ truyền động U/f Hình 4.2 Các dạng đặc tính động không đồng thay đổi tần số theo quy luật U/f Nhận xét: − Đây phương pháp điều khiển ứng dụng rộng rãi công nghiệp, cho phép điều khiển động xác − Dòng điện mở máy thấp − Tổn thất nhỏ, vùng làm việc ổn định động tăng lên − Việc tăng tốc giảm tốc thực cách điều khiển thay đổi tần số theo thời gian − Có thể điều khiển động tần số lớn tần số định mức cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên điện áp đặt tăng điện áp định mức Do tăng tần số dẫn đến mômen giảm Ở vùng vận tốc hệ số ảnh hưởng đến mômen trở nên phức tạp 36 Chương 5: Phương pháp điều khiển SINPWM CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SINPWM 5.1 Phương pháp điều khiển PWM đơn cực: Hai đại lượng cần phải quan tâm xem xét PWM là: sóng mang song điều biến − Sóng mang: Sóng mang sóng tam giác có tần số lớn, đến hàng chục chí hàng trăm kHz − Sóng điều biến: Sóng điều biến sóng hình sin có tần số tần số sóng đầu nghịch lưu Sóng điều biến sóng mong muốn đầu mạch nghịch lưu Hình 5.1 Điện áp nghịch lưu PWM đơn cực 37 Chương 5: Phương pháp điều khiển SINPWM Nhận thấy diện tích xung tương ứng gần với diện tích dạng sóng hình sin mong muốn hai khoảng mở liên tiếp Các điều hòa sóng điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp dạng sóng đầu theo phương pháp PWM (đơn cực) mạch điều khiển người ta tạo sóng sin chuẩn mong muốn so sánh với dãy xung tam giác Giao điểm hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn Hình 5.2 Đồ thị xác định thời điểm kích mở van công suất Điện áp đầu nghịch lưu dùng phương pháp PWM cực đại chế độ xung vuông,có nghĩa đầu PWM giống nghịch lưu nguồn áp.Khi điện áp điều khiển giảm bề rộng xung giảm độ trống xung tăng, điện áp giảm.Vì điều khiển điện áp đầu điện áp điều khiển Quá trình đưa xung có tần số cao vào tạo đóng cắt tần số lớn làm tăng điều hòa bậc cao Nhưng dễ dàng lọc điều hòa bậc thấp tần số sin 38 Chương 5: Phương pháp điều khiển SINPWM Bên cạnh động tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm điều hòa bậc cao điện áp dòng điện 5.2 Phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điều khiển ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực.Các MOSFET kích mở theo cặp nhằm tránh khoảng điện áp không (lưỡng cực) Phần điện áp ngược nửa chu kì đầu ngắn Để xác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế sóng tam giác tần số cao sóng sin chuẩn không tạo độ lệch pha sóng tam giác sóng hình sin cần điều biến Hình 5.3 Điều chế độ rộng xung lưỡng cực 39 Chương 5: Phương pháp điều khiển SINPWM 5.3 So sánh hai phương pháp Hai phương pháp hai phương pháp nghịch lưu PWM bản.Về cấu trúc mạch động lực khác mà khác nguyên tắc điều khiển chuyển mạch van bán dẫn Hai phương pháp có chứa yêu điểm nhược điểm định a Phương pháp PWM đơn cực: − Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản phần tử điện áp âm thành phần điện áp pha Số lượng chuyển mạch van bán dẫn tổn hao chuyển mạch thấp − Nhược điểm: Điện áp có biên độ không cao điện áp yêu cầu giá trị cận không khó đáp ứng khả chuyển mạch van bán dẫn b Phương pháp PWM lưỡng cực: − Ưu điểm: Điện áp có biên độ lớn,có khả điều khiển điện áp nhỏ tần số Khả đáp ứng yêu cầu cao ổn định dòng − Nhược điểm: Nhược điểm lớn nghịch lưu PWM lưỡng cực phức tạp mạch điều khiển phải phối hợp đóng cắt van bán dẫn Phổ sóng hài điều chế đơn cực tốt điều chế lưỡng cực 40 Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian nghiêm cứu,em hoàn thành đồ án Nghiên cứu hệ truyền động động không đồng ba pha rotor lồng sóc Đồ án hoàn thành thông tin truyền động điên,động không đồng hệ truyền động U/f động không đồng ba pha rotor lồng sóc Em xin chân thành cảm ơn giảng viên viện Điện đặc biệt thầy hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày 13 tháng năm 2014 Sinh viên thực Nhữ Ngọc Thắng 41 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh-Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 42