Máy điện có thể mô tả bằng mạng hai cửa, hoặc khi kể đến tổn hao nhiệt có thể mô tả bằng một mạng 3 cửa, như thể điều hòa bậc cao về thời gian có thể “ vào máy điện „ theo 3 cửa : từ lưới điện hoặc từ phía cơ, tư phía nhiệt.
Thí dụ :
- Điều hòa bậc cao về thời gian có thể vào máy từ lưới điện:
Một động cơ làm việc với lưới điện có phần tử phi tuyến ( kháng điện, các linh kiện bán dẫn...), điện áp và dòng điện không còn biến đổi theo thời gian theo quy luật hình sin, làm xuất hiện điều hòa bậc cao về thời gian. Hoặc nếu điện áp nguồn thành phần một chiều, từ trường chứa các điều hòa chẵn bậc cao về thời gian. Đường cong biểu diễn từ trường khe hở của máy phát điện trùng với đường cong điện áp.
Biên độ cực đại các điều hòa bậc cao khi điện áp nguồn có dạng xung chữ nhật là : Lấy biên độ điều hòa bậc nhất bằng 1, điều hòa bậc ba là 1/3, bậc năm là 1/5, bậc v là 1/v. Trường hợp chung xác định biên độ các điều hòa bậc cao bằng phân tích Furie.
- Điều hòa bậc cao có thể vào máy điện theo cửa năng lượng cơ:
Nếu mô men phụ tải và tốc độ góc có quan hệ không tuyến tính cũng làm xuất hiện điều hòa bậc cao về thời gian vùng khe hở. Trường hợp công suất lưới điện không đủ lớn khi tải thay đổi làm thay đổi tốc độ máy và thay đổi điện áp nguồn có xuất hiện điều hòa bậc cao.
Khi đột nhiên thay đổi nhiệt đổ, làm thay đổi thông số và xuất hiện từ trường bậc cao vùng khe hở không khí. Trong thực tế ảnh hưởng này ít xảy ra nên có thể bỏ qua.
Tóm lại từ trường bậc cao vùng khe hở do xuất hiện các phần tử phi tuyến có thể do tác động đồng thời theo 3 cửa: từ lưới điện hoặc từ phía cơ, từ phía nhiệt. 2.3.2 Từ trường bậc cao không gian
Từ trường bậc cao không gian xuất hiện vùng khe hở thường do các yếu tố bên trong máy điện gây nên. Ví dụ, cấu tạo dây quấn làm sức từ động không thể phân bố hình sin trong không gian; mặt khác khe hở không trơn (răng rãnh roto và stato), khe hở không đều ( có dạng côn, elip) cũng là nguyên nhân sinh ra từ trường bậc cao.
- Từ trường bậc cao không gian sinh ra do cấu tạo dây quấn:
Trước tiên xem xét trường hợp đơn giản nhất, máy điện có khe hở đồng đều, dây quấn bước đủ (y=v), khi đó sức từ động phân bố dọc khe hở có dạng hình chữ nhật. Khi phân tích Furie, biên độ các điều hòa sức từ động được tính theo công thức : F1m = (4/π) F3m = (1/3)(4/ ) π F5m = (1/5)(4/ ) π ... F1m = (1/v)(4/ ) π
Trường hợp dây quấn bước quá ngắn, y 0,8 sức từ động phân bố dọc khe hở có dạng hình thang biên độ các thành phần điều hòa giảm đáng kể. Mặc dù vậy không thể triệt tiêu hết các sóng điều hòa bậc cao.
Từ trường điều hòa bậc cao sức từ động không gian là các từ trường quay, chiều quay của chúng phụ thuộc vào số pha của dây quấn và tần số của sóng điều hòa.
Máy điện ba pha dây cuốn đối xứng, có các điều hòa bậc cao v = 6n ± 1, n = 0, 1,2 ...
- Các sóng điều hòa bậc v = 6n + 1 (bậc 7,13,19....) quay cùng chiều và có tốc độ chậm hơn tốc độ quay của sóng điều hòa cơ quan 7, 13, 19... lần.
- Các điều hòa bậc v = 6n 1 (bậc 5,11,17...) quay ngược chiều và có tốc độ - chậm hơn tốc độ quay của sóng điều hòa cơ bản 5,11,17... lần.
Máy điện hai pha quấn đối xứng, có các điều hòa bậc cao v = 4n ± 1.
- Các sóng điều hòa bậc v = 4n ± 1. ( bậc 5,9,13...) quay cùng chiều và có tốc độ chậm hơn tốc độ quay của sóng điều hòa cơ bản 5,9,13... lần.
- Các điều hòa bậc v = 4n ± 1 (bậc 3, 7, 11...) quay ngược chiều và có tốc độ quay chậm hơn tốc độ quay của sóng điều hòa cơ bản 3,7, 11... lần.
- Từ trường bậc cao không gian sinh ra do cấu tạo răng rãnh.
Trên mặt stato và roto tiếp giáp với khe hở thường phải xẻ rãnh để đặt dây
quấn. Do từ trở răng, rãnh khác nhau, hình dáng của từ trường sẽ khác với hình dáng của sức từ động phân bổ dọc khe hở, trong từ trường xuất hiện thêm thành phần điều hòa răng, điều hòa bậc cao.
Để xét ảnh hưởng của điều hòa răng, rãnh, người ta thường chia thành các bước :
- Bước một : Máy điện chỉ có rãnh đặt dây quấn ở một mặt rô to ( hoặc stato) mặt còn lại không có rãnh, sóng điều hòa răng có bước cực z phụ thuộc vào số rãnh z và đường kính D của rôto ( hoặc stato) : z D
z
- Bước hai : Máy điện có rãnh đặt dây quấn ở cả mặt stato và mặt stato, phân bố từ trường vùng khe hở phức tạp hơn. Có thể tính gần đúng bằng cách, xem như vùng khe hở có hai điều hòa răng rãnh : Điều hòa thứ nhất xuất hiện do có rãnh đặt dây quấn ở một mặt rôto, còn mặt không có rãnh. Điều hòa thứ hai do có rãnh đặt dây quấn ở một mặt stato, còn mặt roto không có rãnh.
Máy điện không bão hòa, các bài toán còn đơn giản, từ trường tổng khe hở được tính bằng phương pháp xếp chồng: bằng tổng điều hòa bậc một Bm và điều hòa răng Br. Khi xét đến bão hòa sẽ phức tạp hơn.
Nghiên cứu sâu hơn về các điều hòa răng rãnh, người ta đi đến kết luận : - Biên độ điều hòa răng phụ thuộc vào quan hệ giữa số rãnh stato và roto, nếu lựa chọn quan hệ không đúng thì biên độ điều hòa răng rãnh tăng bằng tổng biên độ các điều hòa, vì vậy thường quy định chọn quan hệ giữa số rãnh stato và số rãnh roto theo biểu thức:
z1 - z2 = 0, 1, 2, 3, 4; - z1 z2 = p, p ± 1;
- z2 = 2p, 2p ± 1; 2p ± 2;2p ± 3;2p ± 4; z1 - z2 = 3p; z1
Trong đó z1 – số rãnh stato; z2 – số rãnh roto.
- Để giảm biên độ điều hòa răng người ta chế tạo rãnh nghiêng, độ nghiêng của rãnh ở roto hoặc stato tương ứng bằng một bước cực sóng điều hòa răng. Sức từ động cảm ứng do điều hòa răng trong thanh nghiêng sẽ bị triệt tiêu nhau, dòng điện do nó sinh ra gần bằng không thì momen do nó sinh ra cũng bằng không. Điều hòa răng có bước cực từ τz gọi là điều hòa răng cơ bản, điều hòa bậc cao (bậc v) có bước cực từ là vz , tần số số góc quay của điều hòa răng bậc v nhỏ hơn tần số góc quay của điều hòa răng cơ bản v lần.
- Mạch từ thông tuyến tính, điện trở, điện kháng đều là các thông số phụ thuộc
vào độ dòng điện là nguyên nhân làm xuất hiện điều hòa bậc cao của từ trường không gian.
- Công nghệ chế tạo không tốt ( khe hở không đều, lệch trục …) cũng là nguyên nhân sinh ra điều hòa bậc cao.
Điều hòa bậc cao có ảnh hưởng không tốt đến quá trình biến đổi điện cơ, gây - tổn hao phụ, moomen phụ, tăng từ trường tản. Các điều hào bậc cao co dòng điện roto và stato sinh ra có thể chuyển động cùng tốc độ, tác dụng tương hỗ tạo thành các moomen phụ. Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có momen phụ với hầu hết các điều hòa bậc cao, ảnh hưởng lớn nhất là khi mở máy.
Trong thực tế, ta chỉ chú ý trừ khử một số điều hào có biên độ lớn nhất. Ví dụ người ta thực hiện các biện pháp bố trí quấn để hạn chế ảnh hưởng điều hòa bậc cao sau đây:
- Chọn quan hệ hợp lý giữa số rãnh stato và số rãnh roto. - Thực hiện dây quấn bước ngắn.
- Thực hiện dây quấn trải.
- Chế tạo rãnh nghiêng lõi thép roto hoặc stato.
Các điều hòa bậc cao lại “ phối hợp” tạo ra các điều hòa mới. Điều hòa mới có tần số do kết hợp tần số các điều hòa tạo ra chúng. Ảnh hưởng của các điều hòa này chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Cũng như các thiết bị khác, vấn đề quan tâm trước tiên về các sóng điều hòa dòng điện và điện áp là sự tăng nhiệt do các tổn thất sắt và tổn thất đồng tại các tần số điều hòa. Các thành phần điều hòa cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất máy và momen quay.
ra tiếng ồn. Các sóng điều hòa cũng sinh ra sự phân bố từ thông tổng hợp trong khe hở không khí, trong các điều kiện cụ thể có thể dẫn đến hiện tượng gọi là cogging (từ chối khởi động) hay (tốc độ dưới đồng bộ ) trong các động cơ không đồng bộ. Các cặp sóng hài, chẳng hạn như các sóng hài bậc 5, bậc 7 có thể tạo ra các dao động cơ học trong một tổ hợp máy phát – tuabin. Các dao động cơ học tạo ra khi các momen xoắn dao động gây ra bởi sự tác động lẫn nhau giữa các dòng điện điều hòa từ trường tần số cơ bản kích thích tần số cộng hưởng cơ khí. Chẳng hạn như một cặp các điều hòa bậc 5, bậc 7 đưa đến kích thích có tính xoắn trên roto máy phát lại tần số điều hòa bậc 6 là 300Hz. Nếu cặp tần số của dao động cơ học tồn tại gần với tần số của kích thích điện thì các đáp ứng cơ học cộng hưởng cao có thể phát triển. Mặc dù không có các tiêu chuẩn về các giới hạn dòng điện hay điện áp điều hòa cho các động cơ, một số nhà thiết kế đề xuất giới hạn là 5% cho các điện áp điều hòa để dung cho các động cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy phát điện.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ
3.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các hệ thống truyền động biến tần – động cơ được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Một trong những vấn đề được qua tâm nhất là chất lượng động của hệ truyền động. Và một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ đó là điên áp đầu ra của bộ biến tần.
Trong chương này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp không sin ở các bộ biến tần đến hoạt động của động cơ không đồng bộ. So sánh chất lượng của các bộ biến tần hai bậc ba bậc, bốn bậc.
Trong chương này tác giả thực hiện mô phỏng với động cơ có thông số như sau: - Điện áp định mức 380Y [V] - Dòng điện định mức 29,4 [A] - Số đôi cực 2 - Tốc độ định mức 1460 [vòng/phút] - Hệ số cos định mức 0,87 - Mômen định mức 98,2 [Nm]
- Các tham số điện và cơ
Rs 0,2147 [ ] Rr 0,2205 [ ] Lm 0,06419 [H] L s 0,991e-3 [H] L r 0,991e-3 [H] km 0,69 kh 11,28 [W.s/Wb2] ke 0,159 [W.s2/Wb2] Mdry 0,272 [Nm] B 0,00298 [Nm.s] kvent 1,46e-6 [Nm.s2] J 0,102 [kg.m2]
- Các đặc tính của động cơ đo được băng thực nghiệm như hình dưới
3.2 Ảnh hưởng của điện áp không sin
- Để so sánh ảnh hưởng của các dạng điện áp đầu ra của các loại biến tần tác giả thực hiện mô phỏng ở điều kiện như sau:
+ U = 380V; f = 50Hz
- Kết quả mô phỏng khi động cơ làm việc với nguồn sin
+ Ikđmax: 330 A
+ Thời gian khởi động: 0.17s + Mô men đập mạch max: 376Nm + Số lần đập mạch của momen 5 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 3,8.10-5Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.015s
+ Ikđmax: 383 A
+ Thời gian khởi động: 0.72s + Mô men đập mạch max: 498Nm + Số lần đập mạch của momen 25 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 16.3Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.033s
- Kết quả mô phỏng với biến tần ba bậc
+ Ikđmax: 435 A
+ Thời gian khởi động: 0.38s + Mô men đập mạch max: 608Nm + Số lần đập mạch của momen 14 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 28.9Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Kết quả mô phỏng với biến tần bốn bậc
+ Ikđmax: 479 A
+ Thời gian khởi động: 0.39s + Mô men đập mạch max: 750Nm + Số lần đập mạch của momen 14 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 65.5Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Nhận xét:
nghiệm. Do đó các thông số xây dựng cho động cơ trên phần mềm là sử dụng được.
+ Dòng điện khởi động max của biến tần bốn bậc là lớn nhất + Thời gian khởi động của biến tần hai bậc là lâu nhất
+ Số lần đập mạch của mô men ở biến tần hai bậc là lớn nhất. Điều này chứng tỏ rằng điện áp của biến tần càng khác sin thì thành phần sóng hài càng lớn. Số lần đập mạch của mô men ở biến tần ba bậc và bốn bậc bằng nhau chưng tỏ rằng chất lượng điện áp của biến tần ba bậc và bốn bậc là tương đương nhau.
+ Khi tốc độ đạt định mức thì biến độ đập mạch của mô men ở biến tần bốn bậc là lớn nhất
+ Thời gian dòng điện mất đối xứng ở biến tàn hai bậc là lâu nhất. Điều này chứng tỏ rằng do chất lượng điện áp của biến tần hai bậc không tốt nên khi
khởi động thành phần dòng điện tự do ( dòng điện tắt dần ) lớn, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình khởi động.
3.3 Ảnh hưởng của tần số
- Trong mục này tác giả nghiên cứu hoạt động của động cơ khi làm việc với các tần số khác nhau, với từng loại biến tần khác nhau. Từ đó đưa ra mức độ ảnh hưởng của tần số trong từng trường hợp cụ thể.
- Kết quả mô phỏng với nguồn sin + f = 100Hz
+ f = 60Hz
+ f = 40Hz
+ f = 20Hz
+ f = 10Hz
- Kết quả mô phỏng với biến tần hai bậc + f = 100Hz
+ f = 50Hz
+ f = 40Hz
+ f = 10Hz
- Kết quả mô phỏng với biến tần ba bậc + f = 100Hz
+f=50hz
+f=20Hz
3.4 Ảnh hưởng của tải
- Trong mục này tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của tải đến hệ thống biến tần ba bậc – động cơ khi làm việc ở tần số 50Hz
- Mc = 10Nm
+ Ikđmax: 435 A
+ Thời gian khởi động: 0.42s + Mô men đập mạch max: 624Nm + Số lần đập mạch của momen 15 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 37.5Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Mc = 20Nm
+ Ikđmax: 435 A
+ Thời gian khởi động: 0.47s + Mô men đập mạch max: 641Nm + Số lần đập mạch của momen 16 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 31.2Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Mc = 30Nm
+ Ikđmax: 435 A
+ Thời gian khởi động: 0.52s + Mô men đập mạch max: 655Nm + Số lần đập mạch của momen 18 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 29.1Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Mc = 40Nm
+ Ikđmax: 435 A
+ Thời gian khởi động: 0.57s + Mô men đập mạch max: 669Nm + Số lần đập mạch của momen 20 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 28Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Mc = 50Nm
+ Ikđmax: 435 A
+ Thời gian khởi động: 0.65s + Mô men đập mạch max: 682Nm + Số lần đập mạch của momen 23 lần
+ Biên độ đập mạch mô men khi tốc độ định mức: 27 Nm + Thời gian dòng điện mất đối xứng: 0.032s
- Mc = 60Nm