Xây dựng mô hình hệ truyền động điện biến tần – động cơ không đồng bộ

CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ  KHÁI QUÁT CHUNG Do yêu cầu của sản xuất, động cơ điện KĐB khi làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần.. Trong giới hạn này ch

MỤC LỤC

Lời mở đầu………

Chương I : Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha ……

1.1 Khái niệm chung ………

1.2 Cấu tạo ………

1.3 Nguyên lý hoạt động ………

1.4 Các đường đặc tính của động cơ không đồng bộ ………

1.5 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ………

1.6 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ba pha ………

Kết luận……….

Chương II: Nghiên cứu biến tần Siemens MM 420 ………

2.1 Tổng quan về biến tần ………

2.1.1 Khái niệm chung ………

2.1.2 Phân loại ………

2.1.3 Nguyên lý hoạt động ………

2.1.4 Ưu nhược điểm của biến tần ………

2.1.5 Ứng dụng của biến tần ………

2.2 Nghiên cứu biến tần Siemens MM420 ………

2.2.1 Lắp đặt cơ khí ………

2.2.2 Lắp đặt phần điện ………

2.2.3 Cài đặt mặc định ………

2.2.4 Truyền thông ………

2.2.5 Các tham số thông dụng ………

2.2.6 Cảnh báo và lỗi ………

2.2.7 Cài đặt biến tần Siemens MM420 ………

Kết luận………

Chương III: Xây dựng mô hình thực nghiệm ………

3.1 Quấn lại động cơ không đồng bộ ba pha ………

3.2 Lắp đặt biến tần………

Kết luận……….

2 3 3 3 7 8 12 18 24 25 25 25 25 37 38 38 40 40 41 46 47 51 60 73 75 76 76 79 82

LỜI MỞ ĐẦU

TRANG 1

Như chúng ta đã biết, động cơ điện có vai trò rất qan trọng trong đời sốngcủa chúng ta cũng như trong công nghiệp Đặc biệt là động cơ điện không đồng

bộ được sử dụng rất rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực Từ đó đặt ra vấn đề rất lớntrong việc kiểm soát và điều khiển tốc độ của động cơ điện KĐB

Nhằm củng cố lại những kiến thức đã được học trong trường và tìm hiểusâu thêm về điều khiển tốc độ động cơ Trong học phần làm đồ án tốt nghiệpcủa mình nhóm sinh viên chúng em đã nghiên cứu về đề tài :

“Xây dựng mô hình hệ truyền động điện biến tần – động cơ không đồng bộ.”

Qua đây chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trongkhoa đã tận tình dạy dỗ chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình học tập, và đặcbiệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.s Phạm văn Cường đã giúp chúng emhoàn thành tốt đồ án của mình

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian và trình độ còn hạn chế nên đồ

án chúng em không thể tránh khỏi những thiếu xót Kính mong các thầy cô cùngcác bạn sinh viên xem và đóng góp ý kiến để chúng em có thể hoàn thiện hơn đềtài của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theonguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quaytrong máy

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinhhoạt vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao,

và gần như không cần bảo trì Dải công suất rất rộng từ vài W đến 10.000 Hp.Các động cơ từ 5 Hp trở lên hầu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1Hp thường

là một pha

1.2 CẤU TẠO

Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ ba pha

gồm có các bộ phận chính sau ( hình 1.1 )

+ phần tĩnh hay còn gọi là stator

+ phần quay hay còn gọi là rotor

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn Thường vỏ máy làmbằng gang Đối với vỏ máy có công suất lớn ( 1 MW ) thường dùng thép tấmhàn lại làm vỏ máy, tùy theo cách làm nguội vỏ máy mà dạng vỏ máy cũng khácnhau.

 Lõi thép

Lõi thép là phần dẫn từ Vì từtrường đi qua lõi thép là từ trườngquay nên để giảm bớt tổn hao, lõithép được làm bằng những lá thép

kỹ thuật điện dày 0.5 mm ép lại.Khi đường kính ngoài của lõi thépnhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấmthép tròn ép lại còn nếu đường kính

ngoài lớn hơn trị số trên thì dùng những tấm thép hình rẻ quạt ( hình 1.2 ) ghép

lại thành khối tròn

Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảmhao tổn do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành mộtkhối, nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn, mỗi tấm thép dài từ 6-

8 cm đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh

để đặt dây quấn

 Dây quấn

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách điện tốtvới lõi thép Dây quấn phần ứng là phần dây bằng đồng được đặt trong các rãnhphần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín Dây quấn là bộ phận quantrọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi nănglượng từ điện năng thành cơ năng Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành củadây quấn chiếm tỉ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy

Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm:

Hình 1.2 Tấm thép hình rẻ quạt

- Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhấtđịnh chạy qua mà không bị nóng quá một nhiệt độ nhất định để sinh ra mộtmomen cần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt.

- Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, an toàn

- Dây quấn phần ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau:

+ Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp

+ Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp

* Trong một số máy cỡ lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợpgiữa hai dây quấn xếp và song

1.2.2 PHẦN QUAY ( hay rotor )

Phần này gồm hai thành phần chính là lõi thép và dây quấn rotor:

 Lõi thép

Nói chung người ta dùng các lõi thép kỹ thuật điện như ở stator, lõi thépđược ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của láthép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

 Dây quấn rotor

Phân làm hai loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc:

Loại rotor kiểu dây quấn: Roto kiểu dây quấn ( hình 1.3 ) cũng giống như

dây quấn ba pha stator và có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu này luônđấu hình sao ( Y ) và có 3 đầu ra đấu vào 3 vành trượt gắn vào trục quay rotor vàcách điện với trục Ba chổi than cố định luôn tì trên vành trượt này để dẫn điện

và 3 biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốcđộ

TRANG 5

Hình 1.3: Rotor kiểu dây quấn.

Loại rotor kiểu lồng sóc (hình 1.4): Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm

đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơnhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch,cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100 KW thanhdẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch

1.2.3 KHE HỞ

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện khôngđồng bộ rất nhỏ ( từ 0.2 mm – 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa ) để hạn chếdòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy có thể làm cho hệ số công suất củamáy tăng cao

Hình 1.4 Cấu tạo rotor động cơ KĐB

a) Dây quấn rotor lồng sóc b) Lõi thép rotor c) Ký hiệu động cơ trên sơ đồ

(c)

Hệ số trượt s của máy :

s = =

Như vậy khi n = n1 thì s = 0 , còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n > n1 ,s < 0

và rotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1

1.3.1 ROTOR QUAY CÙNG CHIỀU TỪ TRƯỜNG NHƯNG TỐC ĐỘ

n < n1 ( 0 < s < 1 )

Giả thuyết về chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ và của rotor n như

hình 1.5a Theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sức điện động E2 và

I2; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực F và mômen M Ta thấy F cùngchiều quay của rotor, nghĩa là điện năng đưa tới stator, thông qua từ truờng đã

TRANG 7

Hình 1.5 Quá trình tạo mômen của máy điện không đồng bộ

biến đổi thành cơ năng trên trục quay rotor theo chiều từ trường quay n1, nhưvậy đông cơ làm việc ở chế độ động cơ điện

1.3.2 ROTOR QUAY CÙNG CHIỀU NHƯNG TỐC ĐỘ n > n 1 (s < 0)

Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độdồng bộ n > n1 Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngượclại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiềunên chiều của M cũng ngược chiều n1, nghĩa là ngược chiều với rotor, nên đó là

mômen hãm ( hình 1.5b ) Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động

cơ điện ,do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện, nghĩa làđộng cơ làm việc ở chế độ máy phát

1.3.3 ROTOR QUAY NGƯỢC CHIỀU TỪ TRƯỜNG n < 0 (s > 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ

trường quay hình 1.5c, lúc này chiều của sức điện động và mômen giống như ở

chế độ động cơ Vì mômen sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụnghãm rotor lại Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào, vừa lấy

cơ năng từ động cơ sơ cấp Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ

ĐỒNG BỘ

- Đặc tính tốc độ n = F(P2)

Theo công thức hệ số trượt ta có :

n = n1 (1-s)Trong đó: s = Khi động cơ không tải Pcu << Pdt nên s ~ 0 động cơ điệnquay gần tốc độ đồng bộ n ~ n1 Khi tăng tải thì tổn hao đồng cũng tăng lên ngiảm một ít, nên đường đặc tính tốc độ là đường dốc xuống

- Đặc tính moment M = f(P2)

Ta có M = f(s) thay đổi rất nhiều nhưng trong phạm vi 0 < s < sm thìđường M = f(s) gần giống đường thẳng nên M2 = f(P2) đường thẳng qua gốc tọađộ

- Đặc tính hệ số công suất cosϕ = f(P2)

Vì động cơ luôn luôn nhận công suất phản kháng từ lưới Lúc không tảicosϕ rất thấp thường < 0,2 Khi có tải dòng điện I2 tăng lên nên cosϕ cũng tăng

- Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ

Theo quan điểm năng lượng thì động cơ điện là thiết bị biến đổi điện – cơ,biến đổi năng lượng điện của lưới điện đặc trưng bằng công suất điện của lướiđiện Pđt = U.I.cosφ thành năng lượng cơ trên trục của động cơ Pcơ = M.ω Một đặctính quan trọng cần xét đối với động cơ đó là quan hệ giữa mômen do động cơsinh ra ( Mđc = Mđt – Mcơ ) và tốc độ động cơ ω ( hoặc hệ số trượt s = ω1- ω ).Quan hệ này phụ thuộc vào các thông số của động cơ và của nguồn cung cấp.Trong mục này trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng sẽ đưa ra biểu thức củađặc tính cơ ở dạng cơ sự phụ thuộc các thông số của động cơ và nguồn

Cũng giống như các máy điện khác động cơ điện KĐB lúc làm việc phảikhắc phục mômen tải bao gồm mômen không tải M0 và mômen cản của tải M2

Vì vậy phương trình cân bằng mômen của động cơ điện KĐB lúc làm việc ổnđịnh là : M = M0 + M2 (4.1)

Trong đó: M – mômen điện từ của động cơ điện

Với M0= ; M2 =

Trong đó: ω là tốc độ góc của rotor, n là tốc độ quay của rotor

Biểu thức 4.1 có thể viết dươi dạng M = ( 4.2 )

Mặt khác mômen điện từ do từ trường quay m1, và dòng điện rotor I2 tácdụng với nhau sinh ra và từ trường đó quay với tốc độ đồng bộ n, do đó quan hệgiữa mômen điện từ và công suất điện từ như sau:

TRANG 9

M = ( 4.3 )

ω1 là tốc độ của từ trường quay : ω1= ( p là số đôi cực )

từ 4.2 và 4.3 ta rút được:

Pcơ = = Pđt = (1-s) Pđt

Vậy tổn hao đồng trên rotor bằng: pcu2 = Pđt – pcơ =sPđt

Thường chúng ta dùng sơ đồ thay thế của máy điện KĐB để tính ramômen điện từ theo hệ số trượt s khi bỏ qua dòng từ hóa Ith dòng được tính là:

- Mômen tỷ lệ nghịch với điện kháng khi tần số cho trước

Muốn tìm mômen cực đại ta lấy đạo hàm và được hệ số trượt sth ứng vớimômen cực đại Mmax

Mmax = = ( 4.8 )

Nhận xét về mômen cực đại:

- Với tần số và tham số cho trước Mmax tỷ lệ với

- Mmax không phụ thuộc vào điện trở rotor

- Điện trở rotor R2 càng lớn thì sth càng lớn

Mômen mở máy có thể tìm được khi thay s=1 vào biểu thức (4.6)

Trong đó : sth –hệ số trượt tới hạn ;

S – hệ số trượt định mức của động cơ

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

 KHÁI QUÁT CHUNG

Do yêu cầu của sản xuất, động cơ điện KĐB khi làm việc thường phải

mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất tải và tình hình của lướiđiện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau Có khi yêucầu momen mở máy lớn có khi lại cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần

cả hai yếu tố đó Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điên KĐB phải có tính

TRANG 11

Hình 1.6 Quan hệ M = f(s)

năng mở máy thích ứng Nếu việc áp dụng phương pháp mở máy không thíchhợp sẽ dẫn đến hỏng động cơ và máy móc sản xuất.

Vậy những yếu tố cơ bản nào cần phải có để mở máy động cơ Đó là :

• Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

• Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

• Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

• Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt

Để đạt được những yêu cầu trên không dễ dàng chút nào Vì chúngthường mâu thuẫn với nhau Ví như khi đòi hỏi dòng điện mở máy nhỏ thìthường làm cho momen mở máy bị giảm theo hoặc cần thiết bị đắt tiền chẳnghạn Do đó chúng ta phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể để chọn phươngpháp mở máy thích hợp

Trong giới hạn này chúng em giới thiệu những phương pháp mở máythông dụng sau đây :

• Mở máy trực tiếp động cơ điện rotor lồng sóc

• Mở máy bằng phương pháp hạ điện áp

• Mở máy bằng phương pháp Y/∆

• Mở máy bằng phương pháp thêm điện trở phụ vào rotor

1.5.1 MỞ MÁY TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Phương pháp này sử dụng nguồn điện lưới để khởi động động cơ khôngđồng bộ Xem hình sau :

Hình 1.7 Khởi động trực tiếpĐóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới điện, động cơquay

Ưu điểm của phương pháp này là :

• Thiết bị khởi động đơn giản

• Thời gian khởi động nhỏ

Nhược điểm của phương pháp này là :

Dòng điện khởi động lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác

Ứng dụng :

Phương pháp này chủ yếu sử dụng cho động cơ công suất nhỏ hoặc côngsuất của nguồn lớn hơn nhiều so với công suất của động cơ

1.5.2 MỞ MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẠ ĐIỆN ÁP

Các phương pháp này với mục đích giảm dòng khởi động nhưng thực tế làgiảm được dòng khởi động thì mômen cũng giảm theo

 Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato

Ta có hình vẽ sau :

TRANG 13

Hình 1.8 Khởi động dùng điện kháng

Nguyên tắc hoạt động:

Khi khởi động CD2 cắt, ta đóng CD1 vào để nối lưới điện vào statorthông qua điện kháng CK, khi động cơ quay ổn định thì đóng CD2 để ngắnmạch điện kháng, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới

Điện áp đặt vào dây quấn stator khởi động:

Hình 1.9 Khởi động dùng MBA TN

Nguyên tắc hoạt động:

Trước khi khởi động: Cắt CD2 , đóng CD3, MBA TN để ở vị trí điện ápđặt vào động cơ khoảng ( 0,6 - 0,8 U định mức), đóng CD1 để nối dây quấnstator vào lưới điện thông qua MBA TN, động cơ quay ổn định cắt CD3 đóng

CD 2 để ngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới

Khi khởi động động cơ được cấp điện:

Phương pháp này thường được sử dụng trong việc mở máy các động cơcao áp.

1.5.3 MỞ MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỔI NỐI Y/∆

Hình vẽ sau là sơ đồ nối dây khởi động bằng cách đổi nối Y sang ∆ động

cơ không đồng bộ ;

Hình 1.10 Khởi động đổi nối Y-∆

Phương pháp này chỉ sử dụng cho động cơ lúc máy làm việc bình thườngnối tam giác, khi khởi động nối sao, sau khi tốc độ quay ổn định thì chuyển vềnối tam giác

Khi khởi động cầu dao đảo chiều sẽ đóng về phía Y do đó điện áp pha khikhởi động là:

Dòng điện khi khởi động nối Y :

Dòng điện khi khởi động trực tiếp :

Do đó mômen khởi động giảm đi 3 lần

Phương pháp này sử dụng khá phổ biến trong khởi động các động cơ côngsuất trung bình và lớn

1.5.4 MỞ MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÊM ĐIỆN TRỞ PHỤ VÀO ROTOR

Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ rotor dây quấn vì đặc điểm củacủa động cơ này là có thể thêm điện trở phụ vào mạch rotor Khi điện trở củaroto thay đổi thì đặc tính M =f(s) cũng thay đổi theo Khi điều chỉnh mạch rotothích đáng thì Mk=Mmax Sau khi roto quay để giữ một mômen điện từ nhất địnhtrong quá trình khởi động ta cắt dần điện trở nối thêm vào mạch roto làm choquá trình tăng tốc động cơ từ đặc tính này sang đặc tính khác và sau khi cắt toàn

bộ điện trở thì sẽ tăng tốc đến điểm làm việc của đặc tính cơ tự nhiên

TRANG 17

Hình 1.11 Khởi động động cơ rotor dây quấn a) sơ đồ khởi động b) đặc tính khởi động

Ưu điểm của phương pháp này là Mk lớn còn dòng khởi động nhỏ

Nhược điểm là động cơ dây quấn chế tạo phức tạp hơn động cơ roto lồngsóc cho nên giá thành đắt hơn nhiều, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũnthấp hơn

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơđiện một chiều Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên việc điềuchỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không gặp khó khăn mấy với yêu cầu phạm

vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh và năng lượng tiêu thụ

Ta thấy các phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện :

+ Trên stato: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stator, thay đổi số đôi

cực từ p dây quấn stator và thay đổi tần số f nguồn điện

+ Trên rotor: Thay đổi điện trở rotor, nối cấp hoặc đưa sđđ phụ vào rotor.

1.6.1 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP

Ta đã biết, hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc vào điện áp Nếukhông đổi thì khi giảm điện áp nguồn U1, hệ số trượt tới hạn sm sẽ không đổi

còn Mmax giảm tỉ lệ với Vậy họ đặc tính thay đổi như ( hình 1.12 ) làm cho tốc

độ thay đổi theo Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máykhông tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi

1.6.2 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ

Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữađiện áp U1, tần số f1 và mômen M Trong công thức về mômen cực đại, khi bỏqua điện trở r1 thì mômen cực đại có thể viết thành:

TRANG 19

Hình 1.12 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn điện

a) Sơ đồ mạch động lực b) Đặc tính cơ và các U khác nhau

Hình 1.13 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện

a) Sơ đồ khối b) Đặc tính cơ U1/f không đổi

Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f1’, căn cứ vào điềukiện năng lực quá tải không đổi, ta có:

Hay:

Do đó ta có:

Trong thực tế ứng dụng, thường yêu cầu mômen không đổi, nên ta có:

Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mômen tỉ lệ nghịchvới tần số ta có:

1.13b), cách điều chỉnh này có các đặc tính thích hợp với loại tải cần MC = Cte

khi vận tốc thay đổi

1.6.3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ ROTOR

Thay đổi điện trở dây quấn rotor, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vàomạch rotor của động cơ rôto dây quấn

Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơnbiến trở khởi động Họ đặc tính cơ của ĐK rotor dây quấn khi dùng biến trở điềuchỉnh tốc độ trên Khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm

Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch BĐX :

Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơgiảm Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh liên

TRANG 21

tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ côngsuất cở trung bình.

1.6.4 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH NỐI CẤP TRẢ NĂNG LƯỢNG VỀ NGUỒN

Năng lượng trượt tần số f2 = sf1 lẽ ra tiêu hao trên điện trở phụ đượcchỉnh lưu thành năng lượng một chiều (hình 1.15), sau đó qua bộ nghịch lưuđược biến đổi thành năng lượng xoay chiều tần số f trả về nguồn

Quan hệ giữa hệ số trượt s và góc mở α của thyristor :

• Điện áp ra của chỉnh lưu cầu ba pha: Uc = 1,35sKDU

Hình 1.14 Điều chỉnh tốc độ động cơ rotor dây quấn dùng điện trở

a) Sơ đồ điều chỉnh b) Đặc tính c) Sơ đồ mạch hở d) Sơ đồ mạch kín

• Điện áp ra của nghịch cầu: UN = 1,35KBUcosα

Vậy từ các công thức trên ta có:

với 900 < α < 1800 nên cosα < 0

KẾT LUẬN

TRANG 23

sKDU: điện áp ra của rotor; KB : tỉ số

Hình 1.15 Điều chỉnh tốc độ ĐC bằng cách trả năng lượng về nguồn

a) Sơ đồ mạch hở b) Sơ đồ mạch kín

Trong chương I chúng em đa nghiên cứu sâu về động cơ không đồng bộ

ba pha để có thể nắm vững được cơ bản một số kiến thức về động cơ khôngđồng bộ ba pha như :

- Khái niệm, cấu tạo chung của động cơ không đồng bộ ba pha

- Nguyên lý hoạt động

- Các đường đặc tính của động cơ không đồng bộ ba pha

- Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ ba pha

- Đặc biệt đi sâu nghiên cứu về các phương pháp điều chỉnh tốc độcủa động cơ không đồng bộ ba pha

Trong đồ án này chúng em đã sử dụng phương pháp thay đổi tần số đểđiều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, cụ thể sử dụng biến tần SIEMENSMM420 sẽ được nghiên cứu ở chương sau

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU BIẾN TẦN

SIEMENS MM 420

2.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

- Biến tần là một thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chứcnăng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều có tần số nhất địnhthành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ các khóa điện tử

- Bộ Biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơxoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn

sẽ thay đổi thành tần số biến thiên

- Tần số của lưới điện quyết định tốc độ góc của từ trường quaytrường máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng điện stator ta có thểđiều chỉnh được tốc độ động cơ

- Ở bộ biến tần làm nguồn cung cấp cho động cơ ĐK, yêu cầu bộ này

có khả năng biến đổi tần số và điện áp sao cho tỉ số:

U/f = const

2.1.2 PHÂN LOẠI

- Các loại biến tần dùng van được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm :

- Kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặt không lớn

- Điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay quatải U2(f2)

- Là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng chotruyền động điện có công suất lớn tốc độ làm việc thấp vì việc thay đổi tần

số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1 nên biến tần được sử dụng với phạm

vi điều chỉnh f2 < f1

 Biến tần gián tiếp

- Bộ biến tần này còn được gọi là biến tần độc lập

- Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng mộtchiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ

nghịch lưu độc lập (Quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1) ( Hình 2.2 )

Hình 2.2

- Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất của bộ biến tầnsong việc thay đổi f2 lại không phụ thuộc vào f1 trong một dãy rộng cả trên

và dưới f1

- Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên

ta phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này và thường sử dụng nóhơn

- Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm 2 loại:

- Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn, có tác dụng như nguồndòng cấp cho bộ nghịch lưu Dòng điện trong mạch được san bằng bởi L dòngđiện này không thể đảo chiều

TRANG 27

- Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiều công suất phảnkháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng này cho phép đảo chiều điện

áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu Do vậy rất phùhợp với việc hãm tái sinh động cơ Tuy nhiên chỉ điều chỉnh được dòng và ápcủa tải theo phương pháp biên độ nên chỉnh lưu phải sử dụng linh kiện bán dẫn

- Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện ápđặt vào bộ nghịch lưu xem như nguồn áp Cùng với điện cảm L, tụ C làmphẳng điện áp chỉnh lưu

- Tụ C còn tạo điều kiện trao đổi công suất phản kháng Q giữa tải với

bộ nghịch lưu và mạch một chiều bằng cách cho phép sự thay đổi trong thờigian ngắn dòng vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu

- Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biên độ rộngxung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (chỉnh lưu diod)

- Do tác dụng của diod ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưu luôn luôndương

BỘ ĐIỀU KHIỂN

MẠCH ĐỘNG LỰC

- Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện

áp hình sin, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

- Bộ biến tần nguồn áp có 2 bộ phận riêng biệt: ( Hình 2.5 )

- Tùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng điện áp DC, điều chỉnh

cho phù hợp Dạng sóng điện áp ra như sơ đồ: ( hình 2.7 và 2.8 )

TRANG 29

U2, f2

U1, f1

- Nguyên lý hoạt động: Các van từ T1 đến T4 được điều khiển theo

từng cặp T1, T3 và T2, T4 lệch pha nhau 180° Ở nửa chu kỳ đầu tiên điềukhiển mở T1, T3 với cực tính được xác định dấu không có trong ngoặc Ta có

Ut = En Dòng điện chạy từ cực dương nguồn qua T1, Zt, T3 về âmnguồn Đến thời điểm T/2 (hoặc π), ta đảo trạng thái điều khiển cho T2, T4 dẫn.Nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện không đảo chiều ngay,năng lượng tích lũy ở điện cảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ, lúc nàydòng điện buộc phải thoát diod D2, D4 để về nguồn theo đường D2 cực dương

En xuống cực âm về D4 (một phần chạy qua T2, T4 theo chiều ngược) Nhưvậy do D2, D4 và T2, T4 dẫn điện áp ra tải đảo cực tính ngay (dấu trongngoặc), ta có Ut = - En nhưng dòng điện tải vẫn duy trì theo chiều cũ chođến thời điểm t2 mới đảo chiều Đến điểm t1 lại đổi trạng thái, quá trìnhdiễn ra tương tự: dòng điện sẽ duy trì theo chiều cũ một đoạn bằng t1 nhờcác van D1, D3, T1, T3 rồi mới đảo chiều

- Bộ nghịch lưu áp ba pha ( Hình 2.10)

Hình 2.10

- Bằng cách mắc thêm một nhánh vào cầu nghịch lưu một pha tađược cầu nghịch lưu ba pha tải R, L đấu sao

- Nguyên lý làm việc: Các transistor làm việc với góc dẫn θ = 180° theo

biểu đồ điều khiển ( Hình 2.11 ) Các transistor mở lần lượt từ T1 ÷ T6 với

góc lệch pha giữa hai transistor là 60° Như vậy ở bất kỳ thời điểm nào cũng có

ba transistor dẫn ( hai của nhóm này và một của nhóm kia ) cho dòng chạyqua Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với hai pha đấu

TRANG 31

song song, do vậy điện áp trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed / 3 ( khi pha đó đấusong song với một pha khác ) hoặc 2Ed / 3 ( khi nó đấu nối tiếp với hai phakhác đấu song song )

Hình 2.11 : Giản đồ dạng sóng nghịch lưu khi động cơ chạy thuận

- Là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thànhphần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoaychiều Nó có tác dụng san bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu

- Lọc bằng tụ C: Thường dùng với công suất nhỏ ( Hình 2.12 )

Hình 2.12

- Do sự phóng điện của tụ C theo quy luật hàm mũ và do các sóng hàibậc cao được rẽ qua tụ C, còn lại thành phần một chiều với số ít sóng hài bậcthấp đi qua tải

- Hệ số đập mạch:

- Khi tính chọn L nên chọn L không quá lớn vì như vậy sẽ gây ra hiệntượng sụt áp DC trên nó lớn làm cho hiệu suất chỉnh lưu giảm

TRANG 33

Ur có tần số mong muốn gọi là sóng điều biến Tỉ số giữa biên độ sóng điềubiến và biên độ sóng mang gọi là tỉ số điều biên:

- Để điều chỉnh độ rộng xung tức là ta điều chỉnh điện áp ra trên tải Ar

- Điều biến độ rộng xung được chia thành hai loại:

+ Điều biến độ rộng xung đơn cực

+ Điều biến độ rộng xung lưỡng cực

 Điều biến độ rộng xung ( Khối băm )

- Điều biến độ rộng xung đơn cực

+ Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0

và E ( Hình 2.15 )

Hình 2.15

- Điều biến độ rộng xung lưỡng cực

+ Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số ±

- H mở, D khóa để tránh làm ngắn mạch nguồn Khoảng α.T< t < T thì

Uc = 0 H khóa, D mở, Uc = V

- Giá trị trung bình của điện áp một chiều trên tải:

- Bộ băm đảo dòng: Gồm một bộ băm nối tiếp và một bộ băm songsong ghép với nhau Cho phép truyền năng lượng theo hai chiều

- Sơ đồ băm dùng trong Transistor: ( Hình 2.18 )

Hình 2.18

+ Trong khoảng từ 0 ÷ τ0 ta cho van T mở, toàn bộ điện áp nguồn Edđặt lên tải Trong khoảng thời gian còn lại của chu kỳ băm, van T bị khóa cắtnguồn trên tải

+ Giá trị trung bình điện áp trên tải:

+ Theo biểu thức này ta có 3 phương pháp điều chỉnh Ud:

- T = Ct, với 0 = Var: phương pháp độ rộng xung

- T = Var, 0 = Ct: phương pháp xung tần

- T = Var, 0 = Var: phương pháp xung thời gian

Khuếch đại xung

- Là bộ phận không thể thiếu được, quyết định sự làm việc của mạchđộng lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều domạch điều khiển quyết định

- Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 phần:

 Khâu phát xung chỉ đạo: Là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển

đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng tranzito Khâu này đảmnhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn có thể đảm nhận luônchức năng khuếch đại xung

 Khâu phân phối xung: Làm nhiệm vụ phân phối các xung điều

khiển vào khâu phát xung chủ đạo

 Khâu khuếch đại trung gian: Có nhiệm vụ khuếch đại xung

nhận được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thước mở van

 Sơ đồ của hệ thống điều khiển như sau:

Hình 2.19

2.1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 Sơ đồ khối biến tần: ( Hình 2.20 )

Hình 2.20

 Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần

- Nguyên lý làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản ( Hình 2.21 )

TRANG 37

Phát xung chỉ đạo

Phân phối xung

- Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiệnnay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảmtiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

- Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trịbiên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển

- Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳtheo chế độ điều khiển

- Đối với tải có Mômen không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi

- Với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàmbậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính Mômen là hàm bậc hai của tốc độ

phù hợp với yêu cầu của tải bơm, quạt do bản thân Mômen cũng lại là hàm bậc

2 của điện áp

- Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụngcác bộ linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại Vì vậy,năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

2.1.4 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA BIẾN TẦN

- Giúp tiết kiệm điện năng

- Kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặt không lớn

- Trọng lượng nhẹ

- Hệ số khuếch đại công suất lớn

- Có quán tính nhỏ

2.1.5 ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN

- Điều khiển động cơ KĐB và nhiều ứng dụng khác như: Các máy nâng

hạ, máy đóng gói, bơm và thông gió, Các máy đặc biệt, máy dệt, nhựa …

- Thay đổi đại lượng tần số (có thể cả giá trị điện áp) của dòng điện

- Biến đổi điện áp xoay chiều tần số công nghiệp sang điện một chiều

và rồi lại nghịch lưu thành điện xoay chiều với tần số và điện áp phù hợp vớiứng dụng theo một thuật toán ( phương pháp điều khiển vector không gian )

- Hiệu quả sử dụng biến tần:

+ Hiệu suất làm việc của máy cao

+ Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổithọ của động cơ và các cơ cấu cơ khí dài hơn

+ An toàn, tiện lợi và việc bảo dưỡng cũng ít hơn do vậy đã giảmbớt số nhân công phục vụ và vận hành máy

+ Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động vàvận hành

+ Hệ thống máy có thể kết nối với máy tính ở trung tâm Từ trungtâm điều khiển nhân viên vận hành có thể thấy được hoạt động của hệ thống

TRANG 39