CẢI TIẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CẨU TRỤC
2.3.3 Hệ truyền động điện điều chỉnh động cơ không đồng bộ
- Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp điện trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. - Khác với động cơ một chiều, động cơ KĐB được cấu tạo phần ứng và phần cảm không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh động tự động
truyền động điện động cơ KĐB là hệ điều chỉnh tham số có tính phi tuyến mạnh.
- Trong công nghiệp thường sử dụng năm hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sau:
Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Thyristo.
Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung Thyristo hoặc dùng thiết bị đóng cắt kiểu điện từ
Điều chỉnh công suất trượt Ps.
Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số.
a. Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ
- Mômen động cơ KĐB tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ KĐB bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi vẫn giữ nguyên tần số.
- Sơ đồ cơ bản T1 T2 T3 T4 T5 T6 Rf K1 K1 K1 K2 K2 K2
Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ - Để điều chỉnh điện áp động cơ KĐB phải dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC). Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ KĐB
rôto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mômen. Vì đặc tính cơ của hệ hở rất dốc nên thường dùng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ làm việc và mở rộng dải điều chỉnh. - Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm,… Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC, trong đó vì lí do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp xung kiểu bán dẫn là được dùng phổ biến hơn.
- Dạng đặc tính cơ
Hình 2-4: Dạng đường đặc tính cơ
Nhìn vào sơ đồ đặc tính cơ (Hình 2-4), ta thấy khi giảm điện áp đặt vào Stator (Uđm >U1 >U2) thì Mth giảm rất nhanh theo bình phương của điện áp nguồn. Tuy nhiên tốc độ đồng bộ và độ trượt tới hạn không thay đổi. Do đó phương pháp điều chỉnh này chỉ phù hợp với các loại tải bơm quạt.
b. Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch Rôto bằng van bán dẫn
- Đối với động cơ KĐB rôto dây quấn có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở mạch rôto. Ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hóa việc điều chỉnh. Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì
mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở.
- Biểu thức giá trị điện trở trong mạch rôto động cơ KĐB: Rr = Rrd + Rf
Trong đó - Rrd : điện trở dây quấn rôto
- Rf : điện trở mắc thêm vào mạch rôto - Biểu thức tính mômen của động cơ:
M=
- Nếu giữ dòng điện rôto không đổi thì mô men cũng không thay đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế có thể ứng dụng phương pháp này điều chỉnh điện trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi.
- Ta xét sơ đồ nguyên lý điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng phương pháp xung. Điện áp mạch rôto ur được điều chỉnh bởi chỉnh lưu cầu điôt CL, qua điện kháng lọc L được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0
mắc nối song song với khóa T1. Khóa T1 sẽ được đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch.
ÐK
CL
LR0 R0
T1
Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh trơn điện trở rôto
- Hoạt động của khóa bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều. Khi khóa T1 đóng, điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên. Khi ngắt khóa T1, điện trở R0 lại được đưa vào trong mạch, dòng điện rôto giảm xuống. Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không thay đổi. Nếu điều chỉnh trơn được tỷ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn thì ta điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch rôto.
ω M 0 ρ =1 ρ =0 ω M 0 ρ=1 =1 ϱ =0 Hình 2-6: Dạng đường đặc tính cơ - Biểu thức giá trị điện trở phụ trong mạch rôto 2Rf = ρ.R0 = tđ/T
Trong đó tđ là thời gian đóng van T1, T là chu kì đóng ngắt của van. Phạm vi điều chỉnh nằm trong mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên (ρ =0) và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf = R0/2 (ρ =1).
- Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen có thể mắc nối tiếp với điện trở R0 một tụ điện đủ lớn.
- Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rôto là có phạm vi điều chỉnh rộng, có khả năng điều chỉnh trơn tốc độ.
- Nhược điểm của phương pháp là chỉ thực hiện được với các hệ thống có yêu cầu không cao về điều chỉnh tốc độ.
c. Điều chỉnh điện trở mạch roto bằng loại trở
- Phương pháp này chỉ áp dụng với động cơ rôto dây quấn và thường dùng để hạn chế dòng khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ động cơ. Rôto được nối thêm nhiều cấp điện trở và có thể thay đổi giá trị điện trở mạch rôto bằng cách đóng ngắt các công tắc ngắt tơ nối trong mạch điện trở. - Sơ đồ nguyên lý
Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý và dạng đường đặc tính cơ
- Trong sơ đồ Hình 2-7, đường đặc tính TN ứng với đường đặc tính tự nhiên của động cơ, các đường đặc tính 1, 2, 3 tương ứng với đường đặc tính động cơ trong các trường hợp điên trở mạch rôto tăng dần. Việc thêm điện trở phụ trong một phạm vi nhất định sẽ làm tăng mômen khởi động Mkđ. Sau đó thì mômen khởi động sẽ giảm, do đó việc thêm điện trở phụ vào mạch roto cần phải căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm phụ tải.
d. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số - Phương pháp điều chỉnh động cơ thông qua điều chỉnh tần số nguồn áp, cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nhiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng. Trước hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải,… phương pháp này còn ứng dụng cho các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc độ cao như máy ly tâm, máy mài. Đặc biệt là hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trường.
Dạng đường đặc tính cơ khi biến đổi tần số điện áp đầu vào.
Hình 2-8: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ Trên Hình 2-8 trình bày đặc tính cơ f2< f1< fđm với điều kiện từ thông Φ không thay đổi thì mômen tới hạn Mth được giữ không đổi. Trong vùng có điều kiện fđm< f3< f4 thì mômen tới hạn tỉ lệ nghịch với bình phương tần số. Trường hợp tần số giảm f <fđm, nếu giữ nguyên điện áp đầu vào U thì dòng điện động cơ sẽ tăng rất lớn vì tổng trở của động cơ giản theo tần số. Do vậy khi giảm tần số cần phải giảm điện áp theo qui luật nhất định sao cho động cơ sinh ra được moomen như trong chế độ định mức.
Nhược điểm: cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp. Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lưới chung mà nhận điện từ một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau.
- Nguyên lý điều chỉnh tần số:
Nguyên lý điều chỉnh động cơ KĐB bằng biến đổi tần số fi của điện áp đặt vào stato được rút ra từ biểu thức của động cơ KĐB: ωs = 2.π.fs
Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ thông: