đồ án điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ kđb công suất lớn

LỜI NÓI ĐẦU Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động roto ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và moment khởi động. Đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế hệ truyền động điện, ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn ”. Được trình bày trình bày trong bốn nội dung : Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha và các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ. Chương 2 : Thiết kế hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ công suất lớn Chương 3 : Kết nối biến tần LS IG5A với động cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn Chương 4 : Xây dựng mô hình thực nghiệm Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Công Cường và các thầy cô giáo trong khoa Điện Điện Tử đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Hà Nội, tháng 03 năm 2018 Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Mậu Hoàng Thân Văn Huân Đào Sỹ Nghĩa CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1 MỞ ĐẦU Loại máy điện quay đơn giản nhất là loại máy điện không đồng bộ (KĐB). Máy điện KĐB có thể là loại một pha, hai pha hoặc ba pha, nhưng phần lớn máy điện KĐB ba pha, có công suất từ một vài W tới vài MW, có điện áp từ 100V đến 6000V. Căn cứ vào cách thực hiện rotor, người ta phân biệt hai loại: loại có rotor ngắn mạch và loại có rotor dây quấn. Cuộn dây rotor dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều. Cuôn dây rotor ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch từ rotor, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh. Động cơ rotor ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền, còn máy điện rotor dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhưng có tính năng động tốt hơn, do đó có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh.

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 4

1.1 MỞ ĐẦU 4

1.2 CẤU TẠO 4

1.2.1 Cấu tạo của stato 5

1.2.2 Cấu tạo của rotor 5

1.2.3 Nguyên lý hoạt động 6

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 6

1.3.1 Đặt vấn đề 6

1.3.2 Khởi động động cơ KĐB 7

1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 8

1.4.1 Thống kê năng lượng của động cơ 8

1.4.2 Phương trình đặc tính cơ 10

1.4.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp đến đặc tính cơ 13

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 16

1.5.1 Điều chỉnh tốc độ dộng cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor 17

1.5.2 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện áp stator 18

1.5.3 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đôi cực p 20

1.5.4 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số nguồn 22

1.5.5 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cuộn kháng bão hòa 26

1.5.6 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng phương pháp nối tầng 27

1.6 CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 30

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN 31

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CẤU TRÚC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 31

2.1.1 Sơ đồ khối 31

2.1.2 Chức năng 32

2.1.3 Nguyên lí hoạt động 32

2.2 BỘ BIẾN TẦN 32

2.2.1 Biến tần V20 32

2.2.2 Biến tần Siemens G120 34

2.2.3 Biến tần LS IC5 36

2.2.4 Chọn biến tần 38

2.3 ENCODER ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 38

2.3.1 Nguyên lí của các bộ điều khiển tốc độ thông thường 38

2.3.2 Encoder tăng ( incremental Encoder) 39

2.3.3 Encoder tuyệt đối ( Absolute Encoder) 40

2.3.4 Chọn Encoder 41

CHƯƠNG 3: KẾT NỐI BIẾN TẦN SIEMENS V20 VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CÔNG SUẤT LỚN 43

3.1 KHÁI QUÁT BIẾN TẦN VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN 43

3.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 44

3.2.1 Biến tần trực tiếp 44

3.2.2 Biến tần gián tiếp 47

3.3 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 49

3.3.1 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 49

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 49

3.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÃNG SIEMENS TẠI VIỆT NAM 50

3.5 BIẾN TẦN SIEMENS V20 52

3.5.1 Các tính năng nổi bật 52

3.5.2 Thông số kĩ thuật 53

3.6 KẾT NỐI BIẾN TẦN VỚI ĐỘNG CƠ 54

CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 55

4.1 LỰA CHỌN BIẾN TẦN, ENCODER VÀ ĐỘNG CƠ 55

4.2 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN V20 TỪ BÀN PHÍM 56

4.3 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN V20 TỪ CÔNG TẮC, CHIẾT ÁP 56

4.4 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN V20 Ở CHẾ ĐỘ NHIỀU CẤP TỐC ĐỘ 56

4.5 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN V20 Ở CHẾ ĐỘ VÒNG KÍN PID 57

4.6 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH 61

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 63

ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 64

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sửdụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và

sử dụng Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặcbiệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi độngđộng cơ do khi khởi động roto ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điệnkhởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi độngthích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho cácthiết bị khác trong hệ thống điện Vấn đề khởi động động cơ điện khôngđồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện đểgiảm dòng điện và moment khởi động

Đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế hệ truyền động điện, ổn định tốc độ động

cơ không đồng bộ 3 pha công suất lớn ” Được trình bày trình bày trong bốn

Chương 4 : Xây dựng mô hình thực nghiệm

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Công Cường và

các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện Tử đã tận tình giúp đỡ chúng em

hoàn thành đồ án này

Hà Nội, tháng 03 năm 2018

Thân Văn HuânĐào Sỹ Nghĩa

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA VÀ

CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.1 MỞ ĐẦU

Loại máy điện quay đơn giản nhất là loại máy điện không đồng bộ(KĐB) Máy điện KĐB có thể là loại một pha, hai pha hoặc ba pha, nhưngphần lớn máy điện KĐB ba pha, có công suất từ một vài W tới vài MW, cóđiện áp từ 100V đến 6000V

Căn cứ vào cách thực hiện rotor, người ta phân biệt hai loại: loại córotor ngắn mạch và loại có rotor dây quấn Cuộn dây rotor dây quấn là cuộndây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều

Cuôn dây rotor ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong cácrãnh của mạch từ rotor, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có sốpha bằng số rãnh Động cơ rotor ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền,còn máy điện rotor dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhưng có tính năng động tốthơn, do đó có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh

1.2 CẤU TẠO

Máy điện quay nói chung và máy điện không đồng bộ nói riêng gồm hai phần cơ bản: phần quay (rotor) và phần tĩnh (stato) Giữa phần tĩnh vàphần quay là khe hở không khí

Hình 1 1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

1.2.1 Cấu tạo của stato

Stato gồm 2 phần cơ bản: mạch từ và mạch điện

1.2.1.1 Mạch Từ

Mạch từ của stato được ghép bằng các lá thép điện có chiều dày khoảng0,3- 0,5mm, được cách điện hai mặt để chống dòng Fuco Lá thép stato códạng hình vành khăn, phía trong được đục các rãnh Để giảm dao động từthông, số rãnh stato và rotor không được bằng nhau Mạch từ được đặt trong

vỏ máy.Ở những máy có công suất lớn, lõi thép được chia thành từng phầnđược ghép lại với nhau thành hình trụ bằng các lá thép nhằm tăng khả nănglàm mát của mạch từ Vỏ máy được làm bằng gang đúc hay gang thép, trên

vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt Để tăng diện tích tản nhiệt Tùy theo yêucầu mà vỏ máy có đế gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc Trênđỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện Ngoài vỏ máy còn có nắp máy,trên lắp máy có giá đỡ ổ bi Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây

1.2.1.2 Mạch điện:

Mạch điện là cuộn dây máy điện được quấn quanh mạch từ

1.2.2 Cấu tạo của rotor

1.2.2.1 Mạch từ

Giống như mạch từ stato, mạch từ rotor cũng gồm các lá thép điện kỹthuật cách điện đối với nhau Rãnh của rotor có thể song song với trụchoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừmột số sóng bậc cao Các lá thép điện kỹ thuật được gắn với nhau thànhhình trụ, ở tâm lá thép mạch từ được đục lỗ để xuyên trục, rotor gắn trêntrục Ở những máy có công suất lớn rotor còn được đục các rãnh thông giódọc thân rotor

cùng kim loại Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loạirotor này có tên rotor lồng sóc Loại rotor ngắn mạch không phải thực hiệncách điện giữa dây dẫn và lõi thép.

Loại rotor dây quấn:

Mạch điện của loại rotor này thường được làm bằng đồng và phải cáchđiện với mạch từ Cách thực hiện cuộn dây này giống như thực hiện cuộn dâymáy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trước Cuộn dây rôto dây quấn có

số cặp cực và pha cố định Với máy điện ba pha, thì ba đầu cuối được nối vớinhau ở trong máy điện, ba đầu còn lại được dẫn ra ngoài và gắn vào ba vànhtrượt đặt trên trục rôto, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài

(f1 là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực của máy)

Khi từ trường này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trênlõi sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện Từthông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thôngtổng ở khe hở Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hởnày sinh ra mômen Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng

1 thì độ trượt s =0

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.3.1 Đặt vấn đề

Theo yêu cầu của sản phẩm, động cơ điện lúc làm việc thường phải

khởi động và dừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hìnhcủa lưới mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện khác nhau Có khi yêucầu mômen khởi động dòng lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động

và có khi cần cả 2 Những yêu cầu trên đòi hỏi phải có tính năng khởiđộng thích ứng

Trong nhiều trường hợp do phương pháp khởi động hay do chọn động

cơ có tính năng khởi động không thích đáng nên thường gây nên những sự

cố không mong muốn

Nói chung khi khởi động động cơ cần xét đến để thích ứng với đặc tính

cơ của tải

Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

1.3.2 Khởi động động cơ KĐB

a) Khởi động trực tiếp

Khởi động là quá trình đưa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im)vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức

Khởi động trực tiếp, là đóng động cơ vào lưới không qua một thiết

bị phụ nào Việc cấp một điện áp định mức cho stato động cơ KĐB rotorlồng sóc hoặc động cơ KĐB ro to dây quấn nhưng cuộn dây rotor nối tắt,khi rotor chưa kịp quay, thực chất động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch

Dòng động cơ rất lớn, có thể gấp dòng định mức từ 4 đến 8 lần Tuy dòng

khởi động lớn như vậy nhưng mô men khởi động lại nhỏ do hệ số công

suất cos φ

0 rất nhỏ (cos φ

0 = 0,1- 0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng

bị giảm do điện áp giảm làm cho mô men khởi động càng nhỏ

Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả sau:

Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lượng toả ra ở máy nhiều(đặcbiệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động)

Vì thế trong sổ tay kĩ thuạt sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi độngtối đa, và điều kiện khởi động

Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lưới điện lớn, gây trở ngại cho

các phụ tải cùng làm việc với lưới điện.

Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ cócông suất nhỏ so với các công suất của nguồn, và khởi động nhẹ (momentcản trên trục động cơ nhỏ) Khi khởi động nặng người ta không dùngphương pháp này

b) Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động

Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức:

Ingm= U1

√(R 1+ R 2 ')2+(X1 +X2')2

Từ biểu thức này chúng ta thấy để giảm dòng khởi động ta có cácphương pháp sau:

- Giảm điện áp nguồn cung cấp

- Đưa thêm điện trở vào mạch rotor

- Khởi động bằng thay đổi tần số

- Giảm điện ápNgười ta dùng các phương pháp sau đây để giảm điện áp khởiđộng:dùng cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu và thực hiện đổi nối sao-tamgiác

Đặc điểm chung của các phương pháp giảm điện áp là cùng với việcgiảm dòng khởi động, mô men khởi động cũng giảm

* Khởi động bằng phương pháp tần số.

Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay người ta đã chế tạođược các bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó ta cóthể áp dụng phương pháp khởi động bằng tần số Thực chất của phươngpháp này như sau: Động cơ được cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số

và điện áp nguồn cung cấp có giá trị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vàonguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện áp nguồn cung cấp cho động

cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt giá trị định mức, thì tốc độđộng cơ đạt giá trị định mức Phương pháp khởi động này đảm bảo dòngkhởi động không vượt quá giá trị dòng định mức

1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

động cơ

Về nguyên lý, máy điện không đồng bộ có thể làm việc như máy phátđiện hoặc động cơ không đồng bộ Ở chế độ làm việc động cơ, năng lượngđiện được cung cấp từ lưới điện và chuyển sang rotor bằng từ trườngquay Dòng năng lượng được biểu diễn như sau :

- Công suất nhận từ lưới điện:

Cu1 )và trong lõi thép (∆P Fe1 ) Vậy công suất điện từ chuyển

từ stato sang roto như sau:

2 = (1 - 3)Hz Công suất điện từ chuyển sang rotor sẽ ứng với công suất

tác dụng sinh ra ở điện trở R2‟/s vậy:

Pđt= m1I '22=R '2

S =m1I '22R '2 + m1I '22R '21−s

s (1-12) Thành phần thứ nhất là do tổn hao đồng ở cuộn dây rotor

Cơ ) như: ma sát ổ bi, quạt gió, ma sát rotor với không

khí v.v ngoài ra còn tổn hao phụ do sóng bậc cao, do mạch từ có răng

( ∆ P

p ) Tổn hao phụ rất nhỏ ( ∆ Pp ≈ 0,005P 1 ).

Vậy công suất hữu ích tính như sau:

P2= Pcơ - ∆Pcơ - ∆Pp

Tổng tổn hao của động cơ có giá trị:

∆P =∆P cu1 + ∆P fe 1 +∆P cu2+∆P p+∆P cơ

Hiệu suất của động cơ:

I X1 R1Hình 1 2 Sơ đồ năng lượng của động cơ không đồng bộ

Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha

mà rotor không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điệnđộng cảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp Hệ số qui đổi sứcđiện động là:

Các đại lượng khác trên sơ đồ thay thế hình 2.1:

I0 – dòng từ hóa của động cơ

Rm, Xm – điện trở và điện kháng mạch từ hóa

I1 – dòng điện cuộn dây stator

R1,X1 – điện trở và điện kháng cuộn dây stator

Dòng điện rotor qui đổi về stator được tính từ sơ đồ thay thế:

Hình 1 3 Sơ đồ thay thế 1 pha ĐCKĐB

Hình 1 4 Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị K gọi là điểm tới hạn Tại đó:

1.4.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp đến đặc tính cơ

Phương trình đặc tính cơ cho ta thấy đặc tính cơ của ĐCKĐB chịu ảnhhưởng của nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2,điện trở và điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p và tần số lưới Ở đây chỉ đềcập đến ảnh hưởng của tần số lưới đến đặc tính cơ động cơ KĐB 3 pha Khi fthay đổi thì các thông số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn,momen tới hạn

Khi thay đổi f1 thì tốc đô đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng

bị thay đổi (X = 2 π f L) kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn Sth vàmomen tới hạn Mth

Ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1, nếu bỏ qua điện trở dây quấn statorR1 = 0 thì Mth là:

Biểu thức trên cho ta thấy rằng khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên

U1ph thì momen tới hạn giảm rất nhiều Do đó khi thay đổi tần số nguồn thìđồng thời phải thay đổi U1ph theo các qui luật nhất định đảm bảo sự làm việctương ứng của động cơ với nhiều loại tải khác nhau ( hình 2.3) Nghĩa là tỷ sốgiữa momen cực đại và momen phụ tải đối với các dạng đặc tính cơ là hằngsố:

quát của Mc như sau:

Với: - Mc là momen cản của tải đối với trục quay ở tốc độ n

- Mcơ là momen cản của tải đối với trục quay khi n = 0

- Mcđm là momen cản cảu tải đối với trục quay khi n = nđm

- x là số mũ đặc trưng mô tả đang đặc tính cơ của tải khác nhau

Hình 1 5 Đặc tính cơ của các dạng phụ tảiNhư vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thayđổi tần số ta phải có bộ nguồn xoay chiều có khả năng điều chỉnh tần số điện

áp đồng thời theo các qui luật sau:

dây, cắt kim loại…

Hình 1 6 Các dạng đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số theo qui

luật điều chỉnh U và f

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor R

f

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cáchthay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng caonhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiềubằng cách thay đổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụngđộng cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đâyxin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thayđổi tần số nguồn f

1

1.5.1 Điều chỉnh tốc độ dộng cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor

Hình 1 7 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc

b) Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB

Nguyên lí điều chỉnh: Khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thìSth sẽ thay đổi tỉ lệ còn Mth=const ta sẽ được 1 họ đặc tính cơ có chung ω0 ,Mth có tốc độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng

Và khi thay đổi các giá trị R2f.c > R2f.ic thì tốc độ động cơ vẫn bằngkhông nghĩa là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh khôngtriệt để

Các chỉ tiêu chất lượng của phương pháp:

-Phương pháp này có sai số tĩnh lớn nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s%càng lớn có thể s% > s%cp

cơ Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng

*Nhược điểm: Điều chỉnh không triệt để, khi điều chỉnh càng sâu thì sai

số tĩnh càng lớn, phạm vi điều chỉnh hẹp, điều chỉnh trong mạch rotor dòngrotor lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ công suất điều chỉnh lớn tổnhao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn

1.5.2 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện áp stator

Momen động cơ KĐB tỉ lệ với bình phương điện áp stator nên có thể

điều chỉnh momen và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato và giữtần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều như hình 1.8

Hình 1 8 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng điện áp stato b) Các đặc tính điều chỉnh bằng điện áp stato động cơ KĐB

Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb=0), khi Ub = Udm thì momentới hạn Mth.u tỉ lệ với bình phương điện áp, còn Sth.u = const:

Mu = u b2; Mu= Mgh MuĐặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.52b

*Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổiđiện áp stato được sử dụng rộng rãi vì thực hiện dễ dàng và tự động hóa Xét

về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi không đang kể nhưngđiện áp stato bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ lớn

do đó hiệu suất không cao

1.5.3 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi số đôi cực p

Theo quan hệ:

ω=ω0(1−s)=2 π f1 (1−s)

p

Trong đó: f1 là tần số lưới điện, p là số đôi cực

Vậy, thay đổi số đôi cực p, sẽ điều chỉnh được ω0 và sẽ điều chỉnh được

ω Để có thể thay đổi được số đôi cực p, người ta phải chế tạo những động cơ

ĐK đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau,

gọi là máy đa tốc Có hai cách đấu như sau:

Hình 1 9 Sơ đồ đổi nối ∆ - YY

Hình 1 10 Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY

Khi đổi nối ∆ - YY ta có những quan hệ sau Khi nối ∆ hai đoạn dâystato nối tiếp nên:

R1YY=12r1; X1YY=12X1 ; R2YY=12r2; X2YY=12X2

Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là UfYY = U1 vì vậy:

+X nm2

]

S thY=S thYY; M thY=12M thYY

+ Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách

thay đổi số đôi cực là thiết bị đơn giản, rẻ tiền, các đặc tính cơ đều cứng vàkhả năng điều chỉnh triệt để (điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng)

Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thấttrượt khi điều chỉnh thực tế không đáng kể

+ Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, dải điều

chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn

1.5.4 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số nguồn

Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn

và số đôi cực từ theo công thức:

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f

1 hoặc thay đổi số đôi cực từ cóthể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã đượcchế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần

số nguồn f

1 Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độcủa động cơ Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo(X=2πfLfL ) Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên.Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơkhông làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất Vì vậyngười ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó

sao cho từ thông của động cơ không đổi Từ thông này có thể là từ thông statoΦ

1, từ thông của rotor Φ

2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φ

µ Vì momenđộng cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thôngkhông đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể ra các luật điềukhiển như sau:

- Luật U/f không đổi: U/f = const

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: I

o = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I

1 = f(Δω)

* Phương pháp điều chỉnh U/f = const

Sức điện động của cuộn dây stato E

1/f

1 được giữ không đổi và bằng tỷ

số này ở định mức Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làmtăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E

1 giảm, nghĩa là từ thông động cơgiảm Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

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

Momen tới hạn :

Mth= 3 U12

2ω0¿ ¿

Khi hoạt động ở định mức:

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R

1/a sẽ tươngđối lớn so với giá trị của (X

1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở statokhi momen tải lớn Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ

Hình 1 11 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo

tần số theo luật điều khiển U/f=const

Từ đồ thị 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 ởtốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độđịnh mức Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.+ Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mứcbằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trênđiện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm Ở vùngtrên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp

+ Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sựthay đổi của tần số theo thời gian.

*Ưu điểm:

- Điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu

- Hệ thống điều chỉnh tốc độ đơn giản dễ dàng

- Thay đổi tốc độ động cơ cùng một lúc

- Cho phép mở rộng dải điều chỉnh

- Đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau

- Tiết kiệm điện năng

*Nhược điểm:

- Sử dụng linh kiện bán dẫn có giá thành đắt

1.5.5 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng cuộn kháng bão hòa

a) Sơ đồ nguyên lí:

Kháng bão hòa gồm cuộn làm việc Wlv và cuộn từ hóa Wth quấn chúnglên một gông từ Nó có thể là 1 pha hoặc 3 pha Sơ đồ nối kháng bão hòa đểđiều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ như sau:

Hình 1 12 Sơ đồ nguyên lí điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng

phương pháp dùng kháng bão hòaKhi thay đổi dòng từ hóa Ith nhờ biến trở đặt tốc độ, độ từ thẩm của lõi thép sẽthay đổi do đó điện kháng của cuộn làm việc Wlv biến đổi điện áp đặt vào,

động cơ biến cho ta các đặc tính cơ như hình vẽ (1.13) mỗi vùng ứng với 1 trị

Imax nhưng Xlv vẫn có một giá trị nhỏ gây sụt áp nên đặc tính này không trùngvới đặc tính cơ tự nhiên Còn khi cuộn kháng bị khử từ hoàn toàn Ith=0 thì Xlv

vẫn còn giá trị hữu hạn nên đặc tính cơ không tương ứng không thể sát trụctung

c) Nhận xét

Ta thấy cuộn kháng bão hòa như 1 biến kháng không tiếp điểm Nó chophép điều chỉnh tinh Đồng thời xây dựng được hệ tự động hóa để ổn định tốc

độ Hệ kháng bão hòa có đặc tính cơ có momen Mmax lớn Khả năng quá tải

và ổn định cao sai số tốc độ đặc nhỏ Hệ này có dải điều chỉnh D= 2-5 Tuynhiên muốn mở rộng dải điều chỉnh thì tổn thất trượt trong roto ( M, ω0, S)quá lớn Vì vạy động cơ bị đốt nóng quá mức

1.5.6 Điều chỉnh động cơ KĐB bằng phương pháp nối tầng

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổicác thông số của đông cơ hoặc thay đổi các thông số của nguồn cung cấp đều

có nhược điểm cơ bản là không tận dụng được tổn thất công suất trượt ở mạchrôto Tổn thất công suất trượt này ∆ P3=M ω0 S trong hầu hết các trường hợp

đều tiêu tán vô ích dưới dạng nhiệt trên điện trở mạch rôto Vì vậy chỉ tiêunăng lượng của các phương pháp này đều thấp Đối với những động cơ KĐBrôto dây quấn có công suất lớn hoặc rất lớn , thì tổn thất công suất trượt sẽ rấtlớn Do đó có thể không dùng được các thiết bị chuyển đổi và điều khiển ởmạch rôto Việc sử dụng trực tiếp năng lượng trượt ấy rất khó khăn vì tần sốdòng điện rôto khác với tần số lưới.

Để vừa tận dụng được năng lượng trượt, vừa điều chỉnh được tốc độ củađộng cơ KĐB rôto dây quấn, người ta sử dụng các sơ đồ nối tầng Điềuchỉnh tốc độ động cơ KĐB trong các sơ đồ nối tầng được thực hiện bằng cáchđưa vào rôto của nó một sức điện động phụ Ef sức điện động phụ này có thểcùng chiều hoặc ngược chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto E2

và có tần số bằng tần số rôto Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặcmột chiều như sơ đồ nguyên lý hình 1.14

Hình 1 14 Sơ đồ nguyên lý khi đưa các sức điện động phụ vào mạchrôto của động cơ KĐB để điều chỉnh tốc độ của nó trong sơ đồ nối tầng

a, Sức điện động xoay chiều ; b, Sức điện động một chiều

Giả thiết điều kiện làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụnăng lượng từ lưới là sinh năng lượng trượt ở mạch rôto khi đưa Ef vào, dòngđiện rôto xác định theo biểu thức : I2 = E2.Ef/Z

Giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác định trên đặc tínhứng với một giá trị Ef nào đó Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm và có một trị

số nhỏ hơn mômen Mc , nên tốc độ của động cơ giảm Khi tốc độ giảm tốc

độ trượt S tăng lên làm cho E2 = E2nm.S tăng lên Kết quả là dòng điện rôto I2

và mômen điện từ của động cơ tăng lên cho đến khi mômen của thiết bị nốitầng cân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làmviệc xác lập với tốc độ thấp hơn trước , khi /E2/ = /Ef/ , I2 = 0

Động cơ có tốc độ không tải lý tưởng ω0lt Khi Ef = 0 động cơ làm việctrên đặc tính gần với đặc tính tự nhiên

Theo nguyên lý biến đổi năng lượng trượt, người ta chia các sơ đồ nốitầng thành hai loại :

- Nối tầng điện ( có M = const )

- Nối tầng điện cơ ( có P = const )

a Sơ đồ nối tầng điện :

Trong những sơ đồ nối tầng loại này, năng lượng trượt có tần số f2 = f1.S

ở mạch rôto của động cơ KĐB có điều khiển được đưa đến đầu vào của bộbiến đổi BBĐ sau khi trừ tổn thất ở trong dây quấn rôto ΔPđ và tổn thất trong

bộ biến đổi ΔPb năng lượng trượt được biến đổi thành điện năng Pđ trả về lướtnhư giản đồ năng lượng, trong các sơ đồ này bộ biến đổi và động cơ chỉ liên

hệ về điện với nhau Vì vậy gọi là “ sơ đồ nối tầng điện” Mômen trên trụccủa thiết bị nối tầng

b Sơ đồ nối tầng điện - cơ:

Năng lượng trượt sau khi qua bộ biến đổi được biến thành điện năng vàđưa đến động cơ phụ ĐP Động cơ phụ lại biến điện năng đưa lên trục động

cơ Như vậy, hệ thống gồm bộ biến đổi và ĐP liên hệ với động cơ cả về điệnlẫn về cơ Vì vậy, gọi là “ Sơ đồ nối tầng điện cơ”

Công suất tổng đưa ra trên trục của thiết bị nối tầng điện cơ là:

Pt = Pcơ + ΔP3 Nếu giữ I1đm thì P12đm:

1.6 CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cáchthay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng caonhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiềubằng cách thay đổi điện áp phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụngđộng cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển.Sau khi

so sánh phân tích, giới thiệu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ emnhận thấy phương pháp thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen vàtốc độ với chất lượng cao nhất Đây cũng chính là phương án tối ưu nhấtđược sử dụng rộng rãi ngày nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơkhông đồng bộ của các nhà sản xuất

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN

2.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện

2.1.1 Sơ đồ khối

Hình 2 1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống