- Dựa vào các thơng số của động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc tính cơ, đặc tính cơ điện tự nhiên.
3.4.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB
a. Điều chỉnh điện áp động cơ:
Mơmen động cơ KĐB tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đĩ cĩ thể điều chỉnh được mơmen và tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong khi giữ nguyên tần số.
Để điều chỉnh điện áp KĐB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều BBĐ. Nếu coi BBĐ là nguồn áp lý tưởng (Zb = 0) thì xuất phát từ biểu thức mơmen tới hạn ta cĩ quan hệ sau đây:
hay (3-6)
Nếu tốc độ quay của động cơ khơng đổi (s = const) thì:
trong đĩ:
Uđm – điện áp định mức của động cơ Ub – điện áp đầu ra của bộ biến đổi
Mth – mơmen tới hạn của động cơ khi điện áp là định mức và khơng đưa thêm điện trở phụ vào mạch rơto (ứng với đặc tính tự nhiên).
Mu – mơmen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh Ub
Mgh – mơmen giới hạn của động cơ khi điện áp là định mức và đưa thêm điện trở phụ vào mạch rơto (ứng với đặc tính biến trở).
Hình 3.15: Điều chỉnh điện áp động cơ KĐB rotor dây quấn
Vì giá trị độ trượt tới hạn sth của đặc tính cơ tự nhiên nhỏ, nên nĩi chung khơng áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ KĐB rơto lồng sĩc. Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ rơto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rơto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mơmen. Khi nối thêm điện trở phụ vào mạch rơto Rf ≠ 0 thì độ cứng đặc tính cơ sẽ dốc hơn, trong khi đĩ tốc độ khơng tải lý tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay.
- Ta cĩ tổn thất năng lượng trên rơto khi điều chỉnh và coi mơmen điện từ bằng mơmen cản trên trục M= M2 = Mc thì ta cĩ quan hệ:
Nếu đặc tính cơ của phụ tải cĩ dạng gần đúng:
thì tổn thất trong mạch rơto khi điều chỉnh điện áp là: - Tổn thất đạt giá trị cực đại khi = 0:
x = 0 x = -1 x = 1 x = 2 1 1 0,5 0,5 0 * P2*
Như vậy tổn thất tương đối trong mạch rơto là: (3-8)
Quan hệ này được mơ tả bởi đồ thị trên hình 3.16 ứng với từng loại phụ tải cơ cĩ tính chất khác nhau.
Hình 3.16: Sự phụ thuộc giữa tổn thất rơto và tốc độ điều chỉnh
Mơmen của động cơ KĐB cĩ thể được tính theo dịng điện rơto như sau:
nên ta cĩ:
Nếu giữ dịng điện rơto là khơng đổi I2 = const thì mơmen và độ trượt cĩ quan hệ như sau:
M.s = const
Vùng điều chỉnh tốc độ và mơmen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục tọa độ và đường cong:
độ rộng của vùng này tùy thuộc vào giá trị điện trở phụ Rf.
Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mơmen tải là hàm giảm theo tốc độ như quạt giĩ, bơm ly tâm. Trong thực tế cĩ nhiều loại bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Biến áp tự ngẫu, điện kháng, khuếch đại từ, bộ điều chỉnh thiristor và bộ điều chỉnh xung. Ba loại sau cho phép tự động hĩa hệ thống và cải thiện được các đặc tính điều chỉnh nên được ứng dụng tương đối nhiều. Trường hợp đầu là đơn giản nhất nhưng rất ít được ứng dụng. Vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà BBĐ kiểu van bán dẫn được sử dụng phổ biến hơn cả (hình 3.17).
Ưu điểm của hệ điều tốc dùng bộ chỉnh lưu thiristor là cĩ khả năng tự động hĩa cao để làm tăng độ cứng đặc tính cơ. Về chỉ tiêu năng lượng, tuy tổn thất trong bộ biến đổi khơng đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng, khơng cĩ dạng hình sin chuẩn nên gây ra các tổn thất phụ trong động cơ, làm giảm hiệu suất của hệ truyền động.
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý của hệ điều tốc dùng bộ chỉnh lưu thiristor
b. Điều chỉnh điện trở rơto bằng bộ biến đổi xung thiristor:
Như đã phân tích ở phần đặc tính cơ của động cơ KĐB, cĩ thể điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rơto (đối với động cơ KĐB rơto dây quấn). Trong mục này khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn điện trở mạch rơto bằng các van bán dẫn. Ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hĩa việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rơto động cơ KĐB là:
trong đĩ:
R2 – điện trở dây quấn rơto
R2f – điện trở ngồi mắc thêm vào mạch rơto
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rơto thì mơmen tới hạn của động cơ khơng thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ KĐB, tức là đoạn cĩ độ trượt từ s = 0 đến s = sth là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta cĩ thể viết:
; M = const trong đĩ:
s – độ trượt khi điện trở mạch rơto là RII
si – độ trượt khi điện trở rơto là R2
Từ đây ta cĩ thể viết được biểu thức tính mơmen của động cơ:
Nếu giữ dịng điện rơto khơng đổi thì mơmen cũng khơng đổi và khơng phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà cĩ thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rơto cho truyền động cĩ mơmen tải khơng đổi.
Trong trường hợp I2 = I2.đm thì mơmen cho phép là: ;
Mặt khác khi điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện trở rơto với cùng một trị số dịng điện rơto khơng đổi, tức là cùng một trị số mơmen thì quan hệ sau đây luơn luơn đúng:
với s1 và s2 lần lượt là độ trượt của đặc tính cơ biến trở khi thêm tương ứng R2f1 và R2f2 vào mạch rơto.
Trường hợp riêng, khi mơmen trên trục là định mức thì ta cĩ:
trong đĩ: sđmTN và sđmNT là độ trượt đặc tính cơ ứng với mơmen định mức trên đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo.
Phần làm việc của đặc tính cơ được coi là tuyến tính và cĩ thể biểu diễn bằng phương trình đường thẳng:
Thay sđmNT và biến đổi ta cĩ:
trong đĩ đặt hệ số
Từ phương trình trên ta thấy cĩ dạng tương tự như phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều cho nên ta cĩ thể sử dụng những kết luận của động cơ điện một chiều kích từ độc lập để nhận xét về đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều chỉnh điện trở mạch rơto. Về đặc điểm điều chỉnh điện trở mạch rơto, độ cứng đặc tính cơ, phạm vi điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB rơto dây quấn gần giống với động cơ điện một chiều.
a) b)
c) d)
Hình 3.18: Điều chỉnh xung trở mạch rơto
Việc điều chỉnh trơn điện trở phụ trên mạch rơto cĩ thể được thực hiện bằng phương pháp xung áp một chiều để loại bỏ những tổn hao trên điện trở phụ và tận dụng năng lượng trượt trên rơto để trả về cho lưới điện nhằm nâng cao hiệu suất của động cơ.
Trên hình 3.18 trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch rơto bằng phương pháp xung áp một chiều. Điện áp ur được chỉnh lưu bởi cầu điốt CL, qua điện kháng lọc CK được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khĩa bán dẫn Tc. Tc sẽ được đĩng, ngắt một cách cĩ chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở tồn mạch.
Hoạt động của khĩa bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều. Khi khĩa T đĩng, điện trở R bị loại ra khỏi mạch, dịng điện
rơto tăng lên, khi khĩa Tc ngắt điện trở R0 lại được đưa vào mạch, dịng điện rơto giảm. Với tần số đĩng ngắt nhất định, nhờ cĩ điện cảm của cuộn kháng CK mà dịng điện rơto coi như khơng đổi và ta cĩ một giá trị điện trở tương đương Re trong mạch. Thời gian ngắt tn = T – tđ nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đĩng tđ và thời gian ngắt tn thì ta cĩ thể điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch rơto.
với
Điện trở tương đương Re trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều ba pha ở rơto theo quy tắc bảo tồn cơng suất. Tổn hao trong mạch rơto khi nối thêm điện trở phụ là:
Tổn hao cơng suất nối theo sơ đồ hình 3a, nếu gọi dịng chỉnh lưu trung bình là Id thì:
Theo quy tắc bảo tồn cơng suất nên ta cĩ: với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thì nên ta cĩ:
Khi đã cĩ điện trở quy đổi, ta dễ dàng xây dựng được đặc tính cơ theo phương pháp thơng thường, họ các đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cĩ điện trở phụ R2f xem trên hình 3c.
Điện trở trên mạch xung áp một chiều thay đổi được nếu ta thay đổi chu kỳ thì sẽ mở rộng được phạm vi điều chỉnh tốc độ. Đơi khi người ta cịn mắc thêm một tụ điện cĩ điện dung đủ lớn nối tiếp với R0 để tăng thêm dải điều chỉnh. Do trong mạch cĩ sự tham gia của thiết bị bán dẫn nên đặc tính cơ sẽ mềm hơn so với đặc tính cơ biến trở. Để nâng cao độ cứng đặc tính cơ, thơng thường phải cĩ mạch hồi tiếp tốc độ.
c. Điều chỉnh cơng suất trượt:
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ khơng tải lý tưởng thì cơng suất trượt được tiêu tán trên điện trở mạch rơto. Nhưng ở các hệ thống truyền động điện cơng suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được cơng suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh cơng suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Cĩ nhiều phương
pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp nối tầng điện dùng thiristor.
Theo cách tính tổn thất cơng suất khi điều chỉnh thì:
Trên hình 3.19 trình bày sơ đồ dùng bộ biến tần qua khâu trung gian một chiều nối cấp với động cơ khơng đồng bộ rơto dây quấn thì năng lượng trượt ở tần số f2 = sf1 lẽ ra bị tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng điện một chiều, sau đĩ qua bộ nghịch lưu được biến đổi thành năng lượng điện xoay chiều tần số f1 trả về nguồn. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách thay đổi gĩc mở thiristo của bộ nghịch lưu. Quan hệ của tốc độ hoặc hệ số trượt s của động cơ với gĩc mở được xác định.
Hình 3.19. Điều chỉnh tốc độ bằng trả năng lượng về nguồn
Gọi là tỷ lệ số vịng dây cĩ kể đến hệ số dây quấn của rơto và stato thì điện áp ở rơto động cơ là skDU và điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu ba pha là:
UC = 1,35skĐU (3-9)
Gọi kB là tỷ số biến áp của máy biến áp BA thì điện áp trung bình ở bộ nghịch lưu cầu cĩ biểu thức:
UN = 1,35kBUcos (3-10)
Các điện áp theo (3-9), (3-10) phải bằng nhau và ngược dấu 1,35skĐU = – 1,35kBUcos
hay là:
s = – cos
Khi làm việc ở chế độ nghịch lưu, 900 < < 1800 do đĩ s là dương, tốc độ của động cơ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ.
Ngồi những phương pháp điều chỉnh tốc độ kể trên, cĩ thể dùng phương pháp đưa sức điện động phụ vào mạch điện rơto để điều chỉnh tốc độ động cơ điện khơng đồng bộ. Tuy nhiên phương pháp này khơng thực hiện trên những động cơ khơng đồng bộ loại thường mà được chế tạo thành một loại động cơ đặc biệt gọi là động cơ điện xoay chiều cĩ vành gĩp.
d. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số:
Như ta đã biết, tốc độ của động cơ điện khơng đồng bộ bằng: n = n1(1 – s) = (1 – s)
Khi hệ số trượt thay đổi ít thì n tỷ lệ thuận với f1.
Phương pháp thay đổi tần số điều chỉnh tốc độ là một phương pháp điều chỉnh bằng phẳng, động cơ điện cĩ thể quay với bất cứ tốc độ nào. Muốn vậy phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt, do đĩ chỉ khi nào cĩ nhiều động cơ điện cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung thì cách điều chỉnh này mới cĩ ý nghĩa thực tế, vì cĩ thể dùng một nguồn điện biến tần chung.
Từ cơng thức tính giá trị mơmen tới hạn của động cơ: Khi bỏ qua điện trở R1 thì mơmen tới hạn cĩ thể viết thành:
(3-11) trong đĩ C là một hệ số.
Khi thay đổi tần số mà giữ nguyên giá trị điện áp U1 thì ta thấy mơmen của động cơ sẽ bị thay đổi theo. Do quan hệ M ~ 1/f2 nên chỉ một lượng thay đổi nhỏ của tần số cũng làm cho giá trị của mơmen thay đổi rất đáng kể. Nếu tần số thay đổi theo hướng tăng thì mơmen sẽ giảm nên khả năng quá tải của động cơ bị giảm. Chính vì lí do đĩ mà trên thực tế khi điều chỉnh tần số người ta đặt ra điều kiện là phải giữ giá trị mơmen là khơng đổi.
Giả thiết U’1 và M’ là điện áp pha đặt vào các cuộn dây stator và mơmen động cơ lúc tần số là f’1. Với điều kiện năng lực quá tải khơng đổi, ta cĩ:
= Hay : = =
Do đĩ ta được: = (3-12)
- Trong thực tế ứng dụng thường yêu cầu mơmen khơng đổi (như trong máy cắt gọt kim loại), nên ta cĩ:
= (3-13)
- Khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ đảm bảo cơng suất cơ Pcơ khơng đổi nghĩa là M tỷ lệ nghịch với tần số 1 (như trong đầu máy điện), thì ta cĩ:
=
Thế vào cơng thức (3-12), ta được: = (3-14)
- Nếu yêu cầu mơmen tỷ lệ với bình phương của tốc độ, nghĩa là M tỷ lệ f2 (như trong quạt giĩ ) thì ta cĩ:
= ()2 (3-15)
Bên cạnh đĩ ta thấy khi điều tốc động cơ điện, một nhân tố quan trọng là phải cố gắng duy trì được lượng từ thơng trên mỗi cực là khơng đổi và bằng giá trị định mức. Từ thơng quá yếu sẽ khơng phát huy hết khả năng của lõi sắt động cơ, là một dạng lãng phí, cịn nếu tăng từ thơng cĩ thể làm cho nĩ bị bão hịa, dẫn tới dịng điện kích từ quá lớn, khi nghiêm trọng cĩ thể làm cuộn dây quá nĩng làm hỏng động cơ. Đối với động cơ điện một chiều, hệ thống kích từ là độc lập, chỉ cần cĩ lượng bù phù hợp đối với phản ứng phần ứng, giữ cho khơng đổi là dễ dàng thực hiện được. Trong động cơ KĐB, từ thơng là do tổng hợp tác dụng của mạch rơto và stator gây ra. Vậy ta cần phải xét biện pháp đặc thù để giữ cho từ thơng tổng trong khe hở khơng khí giữa rơto và stator là khơng đổi.
Chúng ta đã biết, giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng của mỗi pha stator động cơ KĐB ba pha là:
E1 = 4,44.f1.w1.kdq1.
Trong đĩ:
E1 – giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng do từ thơng ở khe hở khơng khí trong mỗi pha stator động cơ KĐB gây ra, đơn vị là V;
f1 – tần số mạch stator (tần số lưới điện), đơn vị là Hz; w1 – số vịng dây quấn của mỗi cuộn dây pha stator; kdq1 – hệ số dây quấn của cuộn dây pha stator;
- từ thơng ở khe hở khơng khí dưới mỗi cực, đơn vị là Wb. Từ cơng thức trên ta biến đổi:
Vậy để giữ khơng đổi và bằng đm thì khi thay đổi tần số cần phải thay đổi cả sức điện động E1. Tức là quá trình điểu chỉnh phải luơn giữ tỷ số:
= const
U1.đm f1.đm f1 U1 0 a b U1.đm f1.đm f1 U1 0 đm
Điều tốc mơmen là hằng sốĐiều tốc cơng suất là hằng số
Để giữ từ thơng = đm = const thì khi giảm f1 phải đồng thời giảm E1. Tuy nhiên để điều chỉnh giá trị sức điện động cảm ứng trong nhĩm cuộn dây là rất khĩ khăn. Lúc trị số sức điện động khá cao, ta cĩ thể bỏ qua lượng sụt áp trên thành phần điện trở và điện kháng rị của nhĩm cuộn dây stator và coi