) (% Nci – Công suất hữu ích (W
4. Kết quả nghiên cứu và giải pháp kỹ thuật
4.1 Nghiên cứu lý thuyết
4.1.1 Lựa chọn ph−ơng pháp điều khiển khởi động
Chúng ta đ^ biết khi động cơ KĐB 3 pha làm việc trị số hiệu dụng dòng điện trong mạch Stato (I1) của động cơ đ−ợc tính theo biểu thức:
Trong đó: U1 - Giá trị hiệu dụng của điện áp pha ở Stato (V) Xnm - Điện kháng ngắn mạch. Xnm= X1 + X’2;
Xà; X1, X’2 - Các điện kháng của mạch từ hóa Stato và Rôto đ^ quy đổi về Stato (Ω)
R’2 - Điện trở mạch Rôto đ^ quy đổi về Stato R’2 = r’2 + Rf Rf - Điện trở phụ (nếu có) mắc thêm vào mỗi pha của Rôto
đ^ quy đổi về Stato (Ω)
Rà, r1, r’2 – Các điện trở tác dụng của mạch từ hóa, của cuộn dây Stato, Rôto đ^ quy đổi về Stato (Ω)
S - Độ tr−ợt của động cơ
ở đây: ωo- Tốc độ góc của từ tr−ờng quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s)
ωo=
Pf1 f1
2π
f1 – Tần số của điện áp nguồn đặt vào Stato (Hz) P – Số đôi cực của động cơ
ω- Tốc độ góc của Rôto (rad/s)
Tại thời điểm bắt đầu khởi động (ω = 0, S = 1). Dòng điện trong mạch Stato Ibđkđ đ−ợc tính theo biểu thức:
Mômen điện từ do động cơ sinh ra khi làm việc đ−ợc tính theo biểu thức:
Từ các biểu thức (3.3) và (3.4), muốn giảm dòng điện khởi động để tránh gây nên hiện t−ợng sụt áp cho l−ới điện, giảm va đập về cơ khí, ta có thể giảm điện áp U1 hoặc tần số f1 của nguồn cung cấp cho động cơ. Trên cơ sở ứng dụng các thành tựu của lĩnh vực điện tử công suất ta có thể có 2 ph−ơng án để thực hiện, đó là:
Pa1 : Dùng bộ Thyristo điều khiển tần số đặt vào Stato động cơ trong quá trình khởi động
Pa2 : Dùng bộ Thysisto điều khiển điện áp đặt vào Stato động cơ trong quá trình khởi động
Qua phân tích nh− trên ta thấy, để giảm dòng điện khởi động và động cơ KĐB 3 pha rôto lồng sóc ng−ời ta th−ờng dựa trên nguyên lý của hai ph−ơng án trên:
4.1.2 Dùng bộ Thyristo điều khiển tần số đặt vào Stato động cơ trong quá trình khởi động:
Nguyên tắc của ph−ơng pháp này là thay đổi tần số của dòng điện để mở máy cho động cơ điện KĐB 3 pha.
tốc độ của từ tr−ờng quay ω1 thay đổi. ω1=
Pf1 f1
2π
do đó tốc độ động cơ thay đổi vì ω = ω1(1 - S)
Khi giảm f1 mà giữ điện áp động cơ không đổi thì từ thông khe hở Φtăng, dẫn đến mạch từ b^o hòa, dòng từ hóa tăng lên.
Nếu giảm f < fđm, đồng thời phải giảm điện áp động cơ vì nếu bỏ qua điện trở Stato động cơ, có thể viết:
U1 ≈E1= KΦf1
Quan hệ điện áp Stato và tần số f1 đ−ợc gọi là quy luật thay đổi tần số. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần động cơ KĐB 3 pha nh− hình vẽ:
Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến tần th−ờng dùng cho những động cơ có công suất trung bình trở lên
Hình 4.2: Bộ biến tần dùng Thyristo
Hình 4.3: Bộ biến tần dùng Thyristo
Qua các phân tích, nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm thấy rằng. Ph−ơng pháp khởi động động cơ KĐB 3 pha dùng bộ biến tần là ph−ơng pháp khởi động tối −u nhất, nó đáp ứng đ−ợc các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Tuy nhiên, để sản xuất ra bộ khởi động mềm dựa trên nguyên tắc hoạt động của bộ biến tần để khởi động cho các động cơ máy bơm có công suất lớn thì chi phí rất cao. Trong điều kiện kinh tế n−ớc ta hiện nay còn khó khăn vì vậy ph−ơng án
dùng bộ khởi động mềm dựa trên nguyên lý làm việc của bộ biết tần vẫn ch−a đ−ợc áp dụng để điều khiển khởi động động cơ máy bơm công suất lớn của các trạm bơm thuỷ lợi.
Trong thực tế, hiện tại ở n−ớc ta các bộ khởi động mềm động cơ do n−ớc ngoài chế tạo đ−ợc nhập về, hoặc các bộ khởi động mềm do n−ớc ta chế tạo đ−ợc sử dụng trong ngành thuỷ lợi đều làm việc dựa trên nguyên tắc: Điều khiển điện áp đặt vào Stato động cơ trong quá trình khởi động. Vì vậy trong khuôn khổ luận văn chỉ nghiên cứu các bộ khởi động mềm hoạt động dựa trên nguyên tắc đó.
4.1.3 Dùng bộ Thyristo điều khiển điện áp đặt vào Stato động cơ trong quá trình khởi động.
4.1.3.1 Các bộ biến đổi điện áp 3 pha dùng Thyristo
Hình 4.4: (a,b,c,d): Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng Thyristo
A B C Hình 4.1a Hình 4.1b Hình 4.1d Hình 4.1c T1 T3 T5 T6 T3 T4 T2 T1 T2 T3 D1 D2 D3 A B C A B C T1 T2 T3 C B A T1 T6 T5 T4 T3
Trên hình 4.1 sơ đồ 4.1a và 4.1d gọi là sơ đồ 6T, còn sơ đồ 4.1c là sơ đồ 3T, sơ đồ 4.1b gọi là sơ đồ 3T3D.
Dựa vào các đặc điểm của các sơ đồ trên ta chọn sơ đồ 4.2 để nghiên cứu.
4.1.3.2 Các vùng làm việc
Khi mạch điện làm việc các van sẽ đ−ợc phát xung mở thứ tự từ T1 đến T6 cách nhau đều đặn 600 để đảm bảo sau một chu kỳ l−ới điện (3600) thì quá trình sẽ lặp lại, lúc đó trong mỗi thời điểm có 3 khả năng xảy ra:
Hình 4.5: Sơ đồ bộ điều khiển ĐAXC 3 pha động cơ không đồng bộ
1. Mỗi pha có một van dẫn, t−ơng ứng tải đ−ợc mắc đầy đủ 3 pha vào l−ới điện do đó điện áp pha trên tải bằng điện l−ới nguồn.
2. Có 2 van dẫn ở 2 pha, nh− vậy một pha tải bị ngắt điện và hai pha tải còn Không có van nào dẫn tải ngắt hẳn khỏi l−ới điện.
Các trạng thái trên phụ thuộc vào góc điều khiển α và góc φ của tải, ng−ời ta chia thành 3 vùng làm việc nh− theo [3]:
a) α ≤φ : vùng có dòng điện liên tục tải nhận đầy đủ điện áp nguồn.
b) φ ≤ α ≤ αgh : Trong một chu kỳ sẽ xen kẽ những giai đoạn 2 hoặc 3 van dẫn. Trong đó αgh là góc giới hạn của chế độ này và đ−ợc xác định theo biểu thức: T2 A B C T5 T6 T3 T4 T1
Sin(αgh-φ- 3 4π ) = Sin(φ-αgh) Q Q e e 3 / 3 / 2 2 1 π π − − − − (4.4) Trong đó: Q = R L ω
( Xem đồ thị minh hoạ hình 4.3a) c) αgh ≤ α ≤
6
5π
; chỉ có các giai đoạn 2 van hoặc không van nào dẫn (Xem đồ thị minh hoạ hình 4.3b)
+ Đồ thị điện áp pha và điện với tải
Theo tài liệu [3] ta có đồ thị điện áp và dòng diện pha với tải φ = 450 và góc điều khiển α = 600, α = 1200 đ−ợc xác định theo đồ thị 4.3 ở trang sau.
4.1.3.3 Phân tích dạng sóng hài của điện áp ra của bộ khởi động Thyristo
Xét hệ động cơ KĐB đ−ợc cấp từ bộ biến đổi điện áp Thyristo dùng cho loại phụ tảI bơm Mc(ω2) với hệ số công suất φ thay đổi.
Theo kết luận ở trên, điện áp ra của bộ biến đổi điện áp (làm bộ khởi động) Thyristo URA phụ thuộc vào góc điều khiển mở Thyristo α. Dạng điện áp ra là hàm phức tạp khi điều khiển góc α với trị số góc φ của tải .
Trong mọi tr−ờng hợp khi điều khiển với α > φ thì điện áp cấp cho Stato của động cơ là không sin, mặt khác với đặc tính cơ của động cơ ở teạng tháI tĩnh và trạng tháI động đ−ợc xác định khi động cơ đ−ợc cấp với sóng hài cơ bản của điện áp. Dạng sóng cơ bản hoặc cơ bản bình ph−ơng đ−ợc sử dụng để tính toán các đặc tính của động cơ và để đánh giá các đặc tính công tác của hệ.
Phân tích dạng sóng của điện áp ra bộ khởi động là một nhiệm vụ quan trọng để hiểu đ−ợc nguyên lý làm việc của bộ khởi động. Tuy nhiên trong bản luận văn này nó không phải nhiệm vụ chính vì vậy ở đây chỉ xin dựa vào các kết quả đ^ có trong các tài liệu tham khảo và mở rộng nó nhằm phục vụ cho mục đích mà đề tài đề ra.
Hình 4.6: Đồ thị điện áp pha và dòng điện với tải có ϕϕϕϕ = 450 và góc điều
khiển αααα = 600 và 1200
Từ các tài liệu tham khảo, ta có kết luận:
- Theo kết quả ở tài liệu [10] nghiên cứu và phân tích số liệu của sóng hài theo hàm U2
1(α,φ) ở họ đặc tính, khi thay đổi góc α và φ trong phạm vi nhất định thì thấy họ đặc tính này co dạng nh− sau.
- Quan hệ giữa góc dịch pha ψ1 của sóng hài bậc 1 so với góc pha của điện áp l−ới cho thấy khi ψ1 nhỏ ít ảnh h−ởng khi góc đó lớn sẽ ảnh h−ởng đến sự làm việc đồng bộ của các van theo điện áp l−ới.
Sơ đồ nghiên cứu đ−ợc chọn ở đây la sơ đồ sử dụng 6 Thyristo với dòng chuyển mạch tự nhiên và tảI đối xứng R-L ( động cơ KĐB 3 pha khôngcó dây trung tính). Khảo sát những vấn đề ảnh h−ởng do thay đổi tuyến tính của góc
mở α lên điện áp ở cửa ra URA, sóng hài bậc nhất (U1) và góc dịch pha (ψ1) cũng nh− nghiên cứu (U1) ở dạng bình ph−ơng trong tr−ờng hợp đồng bộ so với điện áp l−ới và với góc lệch pha của tảI φ để sử dụng bộ biến đổi làm bộ khởi động cho động cơ.
Điện áp đầu ra của bộ biến đổi (bộ khởi động) phụ thuộc vào góc mở α
của Thyristo và đ−ợc biểu diễn trên hình sau:
Hình 4.7. a. Chế độ góc điều khiển nhỏ hơn góc giới hạn
b. Chế độ góc điều khiển lớn hơn góc giới hạn
Trong điều kiện việc điều khiển bộ biến đổi đ−ợc thực hiện bằng sự đồng bộ với điện áp l−ới trong hệ thống. Trong vùng điều khiển có thể tách ra làm 2 chế độ, tức là trong nửa chu kỳ của điện áp l−ới thì có một hoặc hai lần chuyển mạch của dòng điện.
Việc chuyển từ chế độ một lần chuyển mạch của dòng điện sang chế độ hai lần đ−ợc phân chia bởi góc giới hạn (αgh) theo trị số của góc α thì đ−ờng
cong điện áp dần có dạng hình sin. Khi sử dụng bộ biến đổi điện áp Thyristo thì các đ−ờng cong dòng điện và điện áp có dạng không sin.
Thành phần không sin theo phân tích chuỗi Furie thì điện áp ra của bộ biến đổi có chứa các thành phần sóng hài bậc cao. Khi tính toán đặc tính của động cơ KĐB cần chú ý rằng: Mô men quay của động cơ đ−ợc tạo thành từ các sóng hài dòng điện 1, 7, 13 , 19…. Còn mô men h^m đ−ợc tạo ra do các sóng hài dòng điện bậc 5, 11, 17…Các sóng hài của điện áp ra bậc 3 và bậc 32
thì không tạo ra mômen quay, các sóng hài bậc chẵn và bậc không sẽ không tồn tại khi điều khiển đối xứng. Khi nhận xét sự phụ thuộc của URA, U1, ψ1vào góc α trong tr−ờng hợp biết tính chất tải φvới việc sử dụng ph−ơng pháp toán học khai triển hàm chu kỳ U(ωt) trong phạm vi nào đó và các b−ớc nhảy ở chuỗi l−ợng giác Furiê. ở đó ta tính toán chỉ số sóng hài bậc nhất của điện áp.
Sự phụ thuộc của U1(α); ψ1(α) vào trị số khác nhau của góc tảI ψ (tính chất tải) đ−ợc xác định nhờ các hệ số của chuỗi Furiê [3] tr. 171.
đối với sóng hài bậc nhất U1 cũng nh− trị số của URA qua hệ số a1 và b1 sau: U1 = 2 1 2 1 b a + ; ψ1 = arctg( ) 1 1 b a UBT = 1 2 0 2 ). ( 1 b t d t U = ∫ π ω ω π (4.5) Các hệ số a1 và b1 tính cho sóng hài bậc nhất đ−ợc xác định:
Từ đó suy ra:
Sự phân tích đ−ờng cong của điện áp ra U(ωt) trên một pha của tải R-L khi điều khiển bộ biến đổi Thyristor 6T đ−ợc mô tả bằng biểu thức này t−ơng ứng với khoảng ở nửa chu kỳ chế độ d−ới giới hạn hoặc trên giới hạn. Việc xây dựng các biểu thức theo (2-3) cho thấy sự phụ thuộc của hệ số a1, b1 vào góc α, góc khóa β, góc trễ của dòng điện δ khi một và hai nửa chu kỳ của dòng chuyển mạch thể hiện ở hình 2- 4a, 2- 4b. Sự chuyển từ chế độ ch−a đên giới hạn sang trên giới hạn diễn ra khi góc dẫn của hai Thyristor ở mỗi pha λψ
= 2400 hoặc là góc dẫn cho một Thyristo λT = 1200. Từ đó ta có thể rút ra trị số của góc giới hạn mở trong hệ thống đồng bộ với điện áp l−ới và đ−ợc xác định theo dạng sau:
Thế biểu thức (2 -3) vào (2 -2) sẽ nhận đ−ợc sự phục thuộc của URA; U1; ψ1 vào góc α, β kết quả:
Trong đó: βlà góc tắt của dòng điện β = α + λ.
Từ hình 4.5 cho biết quan hệ phụ thuộc của điện áp ra bộ biến đổi và sóng hài bậc 1 vào góc α và các giá trị khác nhau của ϕ, tài liệu [8], [10].
Hình ( 4.7) a: Sự phụ thuộc của điện áp ra bộ
biến đổi vào góc αααα với các giá trị khác nhau của
ϕ
ϕϕ
ϕ
Hình (4.7) b: Sự phụ thuộc của sóng hài bậc 1
điện áp vào góc αααα với các giá trị khác nhau của ϕϕϕϕ
4.2 ph−ơng pháp khởi động giảm điện áp đặt vào động cơ
4.2.1 Phân tích ph−ơng trình chuyển động của hệ truyền động điện máy bơm trong chế độ khởi động và dừng
Đối với máy bơm h−ớng trục, khớp nối có vòng đàn hồi hoặc các đăng nên sơ đồ khối động học của hệ thống trong chế độ khởi động đ−ợc biểu diễn nh− hình 3.10.
Hình 4.9 : Sơ đồ khối hệ truyền động máy bơm trong chế độ khởi động
Trong đó:
Đ- Động cơ điện dẫn động máy bơm. M – Máy bơm.
Do hệ thống truyền động điện là hệ chuyển động quay nên ta có ph−ơng trình chuyển động của hệ là:
Mđg = Mđ - Mc.δ
dt dω
(4.9) Trong đó: δ - Mômen quán tính của hệ.
dt
dω - Gia tốc của hệ
Mđg – Mômen động của hệ
Mc – Mômen cản của máy bơm
Mđ - Mômen điện từ do động cơ sinh ra. Muốn khởi động đ−ợc máy bơm thì yêu cầu đặt ra là:
Mđ > Mc hay Mđ - Mc = δ
dt dω
Nghĩa là hệ phải có gia tốc d−ơng
dt
dω > 0, tức là hệ phải tăng tốc. Từ những phân tích đó ta thấy: muốn giảm nhỏ đ−ợc thời gian khởi động thì quá trình tăng tốc của hệ phải nhanh, mômen điện từ của động cơ sinh ra trong quá trình khởi động Mđ phải lớn, trị số Ikđ cũng phải lớn (vì mômen tỷ lệ với dòng điện), đây là điều mà khởi động không mong muốn.
Mặt khác, nếu Mkđ lớn gây nên hiện t−ợng “giật” trong quá trình khởi động làm ảnh h−ởng xấu đến kết cấu cơ khí của hệ.
Nh− những gì ta đ^ phân tích, muốn giảm dòng điện khởi động (tại thời điểm đóng động cơ máy bơm vào l−ới điện) ta có thể giảm nhỏ điện áp U1 đặt vào động cơ khi bắt đầu khởi động. Nh−ng mômen điện từ của động cơ lại tỷ lệ bình ph−ơng với điện áp theo biểu thức 3.4. Khi điện áp khởi động giảm, dẫn tới Mkđ giảm nhiều, có khi còn xảy ra tình trạng Mkđ < Mc (mômen khởi động nhỏ hơn mômen cản), và nh− vậy hệ thống không khởi động đ−ợc.
Vấn đề xác định điện áp ban đầu đặt vào động cơ khi khởi động là bao nhiêu %Uđm để đảm bảo giá trị Mkđ thỏa m^n quá trình gia tốc, đồng thời giảm đ−ợc dòng khởi động trong giới hạn cho phép. Thông th−ờng, chọn Ikđ = (2 ữ2,5)Iđm là một số trị rất quan trọng trong vấn đề khởi động động cơ máy bơm thủy lợi công suất lớn.
Theo tài liệu, khi nghiên cứu đặc tính khởi động của động cơ KĐB máy bơm công suất 200kW, nếu mômen khởi động với điện áp ban đầu Ubđ = 80%Uđm thì trị số mômen quá độ và mômen cực đại của động cơ sinh ra