Điều chỉnh công suất trượt

CHƯƠNG 3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1. Sơ đồ nguyên lý hệ CL-Đ tự động dùng bộ khuếch đại tổng

3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

3.3.6. Điều chỉnh công suất trượt

1.Việc sử dụng công suất trượt trong sơ đồ nối tầng

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt Ps= s.Pđt

được tiêu tán trên điện trở mạch roto. Điều chỉnh tốc độ càng sâu, độ trượt càng lớn thì tổn thất càng lớn, do đó chỉ tiêu năng lượng của các phương pháp điều chỉnh đã xét càng thấp. Ở truyền động công suất lớn tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng sơ đồ nối tầng.

Để thực hiện ý tưởng đó, người ta đưa vào mạch roto một thiết bị biến đổi để tiếp nhận năng lượng trượt Ps rồi biến đổi nó thành cơ năng bổ xung vào trục động cơ để cùng quay máy sản xuất (hình 3.86a) hoặc thành điện năng có tần số bằng tần số lưới điện f1 và trả về lưới điện (hình 3.86b)

Hình vẽ 3-88 Biểu đồ năng lượng trong các sơ đồ nối tầng a) Sơ đồ nối tầng điện

b) Sơ đồ nối tầng điện cơ Lưới

Động cơ

TB Biến đổi

Máy sản xuất

,

Pcô

 P1P12

Pcơ

Ps

a) Lưới

Động cơ

TB Biến đổi

Máy sản xuất P1P12

Pcơ

Ps

b)

Pđiện

2. Phân loại sơ đồ nối tầng

Người ta chia sơ đồ nối tầng thành hai loại tương ứng với hai dạng năng lượng được sử dụng từ công suất trượt của động cơ.

- Sơ đồ nối tầng điện cơ có biểu đồ năng lượng hình 3.88a, dùng thiết bị biến đổi điện cơ. Đó là một động cơ điện nối chung trục với động cơ được điều chỉnh.Nếu bỏ qua các tổn thất trong thiết bị biến đổi thì năng lượng trượt được biến đổi thành cơ năng Pcơ = Ps . Công suất cơ tổng chuyển cho máy sản xuất là:

Pcơ.t = Pcơ + Pcơ = Pcơ + Ps = P12 = Mđt.1 = cons (3- 90)

Vì vậy nối tầng điện cơ còn được gọi là tầng có công suất không đổi khi điều chỉnh tốc độ.

- Sơ đồ nối tầng điện có biểu đồ năng lượng hình 3. 88b. Ở đây thiết bị biến đổi là bộ nghịch lưu phụ thuộc, biến năng lượng trượt với tần số của dòng điện roto f2

thành điện năng có tần số của lưới điện f1 để trả về lưới. Nếu giữ dòng điện cấp vào động cơ là định mức I1đm thì công suất điện từ của động cơ cũng là định mức:

P12 = Mđm .1 . Công suất cơ chuyển cho máy sản xuất sẽ là:

Pcơ = P12 - Ps = Mđm .1 - Mđm1.s = Mđm .1(1-s) (3-91)

Như vậy, công suất cơ cấp cho máy sản xuất sẽ phụ thuộc vào độ trượt, tức là phụ thuộc vào tốc độ làm việc. Từ (3-91) ta xác định được momen tải cho phép của động cơ trong sơ dồ nối tầng điện như sau:

Mcp = Pcơ /  = Mđm .1(1-s) /  = Mđm = const (3-92) Trong đó  = 1(1-s) tốc độ làm việc của động cơ.

Vì vậy, Người ta gọi sơ đồ nối tầng điện là tầng có mômen không đổi.

3. Sơ đồ nguyên lý của nối tầng điện cơ và nối tầng điện

a) Nối tầng điện cơ

Hình 3.89 Sơ đồ nối tầng điện cơ

Sơ đồ nguyên lý được vẽ trên hình 3.89. Đ là động cơ được điều chỉnh . Sức điện động roto E2 được chỉnh lưu thành sức điện động một chiều E2d có biểu thức:

E2d = Ku E2 = Ku E2nm .s (3-93) Ku = 2,34 là hệ số của chỉnh lưu cầu 3 pha.

E 2nm là sức điện động ngắn mạch roto (giá trị pha)

Sức điện động này nối vào phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đmc đóng vai trò thiết bị biến đổi (trong hình 3.88). Động cơ này sẽ nhận năng lượng trượt từ bộ chỉnh lưu dưới dạng điện năng một chiều, và biến đổi thành cơ năng trên trục. Trục của nó được nối chung với trục động cơ Đ, do đó nó truyền phần năng lượng trượt về trục cơ của máy sản xuất. Sức điện động động cơ điện một chiều Đmc như đã biết, phụ thuộc vào từ thông và tốc độ của nó:

Ebđ = K = K.a.Ikt. (3-94) Trong đó, từ thông phụ thuộc vào dòng kích từ :  = a.Ikt

Dòng điện phần ứng của động cơ Id = Iư tỷ lệ với dòng điện roto I2 và được xác định theo các sức điện động trong mạch:

t bđ d đ i

R E I E

K

I  . 2  2  (3-95)

Trong đó Rt là điện trở tổng trong mạch chỉnh lưu – động cơ điện một chiều Rt = Rcl + Rbđ

Giả sử động cơ đang làm việc tại một điểm xác lập nào đó với tốc độ  , độ trượt s và dòng điện I2 xác lập, nếu thay đổi dòng điện kích từ của động cơ Đmc , sức điện động Ebđ của nó sẽ thay đổi ( xem biểu thức 3- 94) , dòng điện I2 thay đổi theo biểu thức (3-95), do đó mômen động cơ thay đổi. Sự thay đổi của mômen sẽ làm tốc độ động cơ thay đổi, và hệ thống sẽ chuyển sang làm việc ở một điểm . Đó là nguyên tắc điều chỉnh tốc độ trong nối tầng điện cơ.

a) Nối tầng điện

Hình 3.90. Sơ đồ nối tầng điện

Hình 3.90 giới thiệu sơ đồ nguyên lý nối tầng điện. Ở đây năng lượng trượt trong mạch rôto động cơ Đ được biểu thị bởi các thông số sức điện động xoay chiều E2

, dòng điện xoay chiều I2 và tần số mạch roto f2 = s.f1 cũng được chỉnh lưu thành dạng một chiều với các thông số E2d , Id nhờ bộ chỉnh lưu CL rồi được truyền vào bộ nghịch lưu NL ( với chức năng là thiết bị biến đổi trong biểu đồ 3-88b). Ở bộ nghịch lưu này việc chuyển mạch các tiristo được thực hiện nhờ điện áp lưới, do đó năng lượng trượt dạng một chiều sẽ biến đổi thành xoay chiều có tần số của điện áp lưới , cuối cùng qua máy biến áp BA, năng lượng được trả về lưới điện.

Trong sơ đồ nối tầng điện (hình 3.88) , dòng điện roto của động cơ I2 hoặc dòng điện trong mạch một chiều Id cũng được xác định theo biểu thức (3-95) trong đó Ebđ là sức điện động của bộ nghịch lưu có biểu thức:

Ebđ = ENL = Udocos = - Udocos (3-96) Trong đó  là góc mở của các tiristo ( > /2)

 =  -  là góc mở chậm của tiristo ở trạng thái nghịch lưu;

Udo là điện áp lớn nhất của bộ nghịch lưu ứng với trường hợp  = 0.

Udo = 2,34.U2.ba

U2.ba trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp BA.

Từ các biểu thức (3-95) và (3-96) ta thấy khi thay đổi mở  của các van trong bộ nghịch lưu ( từ - /2 đến   ) tương ứng với sự thay đỏi của sức điện động nghịch lưu Ebđ từ 0 đến  Udo , thì dòng điện Id và I2 sẽ thay đổi, nhờ đó momen và tốc độ sẽ được điều chỉnh.

4.Đặc tính cơ của động cơ trong sơ đồ nối tầng a) Các biểu thức liên quan đến đặc tính cơ

Để làm cơ sở cho việc tính toán các đại lượng như độ trượt s, tốc độ  , và mômen M phục vụ cho việc vẽ đường đặc tính cơ, ta tìm một số biểu thức liên quan của sơ đồ nối tầng . Hãy xét sơ đồ nối tầng điện (Hình 3.90).

- Momen động cơ:

Nếu coi dòng điện rôto là hình sin, ta qui đổi công suất trượt trong mạch một chiều trong sơ đồ hình 3.90 về dạng sơ đồ nối điện trở phụ ba pha thông thường có điện trở đẳng trị R2đt , thì mô men động cơ sẽ là :

s R M I đt

. 3

1 2 2

2

 (3-97)

- Điện trở đẳng trị:

Điều kiện để tính điện trở đẳng trị là coi công suất trượt tỏa ra trên điện trở ba pha đẳng trị và công suất trượt chuyến vào mạch rôto hình 3.90 bằng nhau:

d bđ

đt IdR U I

R

I22 2 2 2 2

3 (3-98)

Hoặc : đt d R UbđId I

R  I2 2 

2 2

2 3

2 (3-99)

Trong đó dòng điện một chiều Id và dòng điện rôto I2 tỷ lệ với nhau qua hệ số sơ đồ chỉnh lưu:

I2

K

Id  i ; 1,227 815

, 0

1 

i 

K (3-100)

Điện áp trên đầu vào của bộ nghịch lưu Ubd được xác định bằng tổng sức điện động nghịch lưu Ebd và các điện áp rơi trên điện trở trong của bộ nguồn này.



 





 







 2. .2 .2

2 2 cos

34 ,

2 ba d ba ba

bd d bd

bd m X

R I U

R I E

U  (3-101)

Trong đó Rba.2, Xba.2 là điện trở và điện kháng của máy biến áp qui đổi về phía thứ cấp:

2 ,

2 .

1

ba sc thc sc thc

ba R R R R K

R     (3-102)

2 ,

2 .

1

ba sc thc sc thc

ba X X X X K

X     (3-103)

Thay Id từ (3-100) và Ubd từ (3-101) vào (3-99) ta có biểu thức của điện trở đẳng trị:

2 2 2

. 2

. 2

cos 957

, 48 0

,

0 I

X U R

R

Rrđđ  ba  ba  ba 

(3-104) Trong đó, hệ số trước điện trở R2 và Rba.2 ( xem biểu thức 3-99):

2 2

2 2

227 , 31 . 2 3

2 

 I I Id

Hệ số ;

3 .1 2 .

48 ,

0 2

2 2

I I m d

  .1,227

3 34 , . 2

957 3 , 0

2



 I

I Ku d

Hai số hạng đầu của biểu thức (3-104) biểu thị cho phần tổn thất trên diện trở thuần của động cơ và biến áp, số hạng thứ ba biểu thị cho phần tổn thất do chuyển mạch trong các van của nghịch lưu, số hạng thứ tư biểu thị cho phần công suất trượt được nghịch lưu trả về lưới điện.

- Độ trượt không tải lý tưởng so[ tương ứng tốc độ không tải kt  1 1  so]

Được xác định khi dòng điện Id = 0 , tức I2 = 0 và M = 0. Từ sơ đồ nguyên lý hình 3-88 ta thấy Id = 0 khi sức điện động của bộ chỉnh lưu E2d và sức điện động của bộ nghịch lưu Ebđ bằng nhau:

0

Id khi E2d  Ebd

Thay E2d từ (3-94) vào Ebđ từ (3-96) ta được:

nm ba

o E

s U

2 2 cos

 (3-105)

Như vậy nếu cho trước góc mở của các van nghịch lưu , ta xác định được so và

1 tức là xác định được trên đường đặc tính cơ điều chỉnh. Ngược lại, nếu cho trước yêu cầu về cấp tốc độ làm việc ( ktvà s so), theo (3-105) ta có thể tìm được góc mở của các van.

- Điện áp thứ cấp và công suất của máy biến áp:

Máy biến áp BA trong sơ đồ hình 3-88 phải có công suất đủ để chuyển tải được công suất trượt lớn nhất trong dải điều chỉnh tốc độ của động cơ:

Pba = Pmax  Pđmsmax (3-106)

Nếu coi smax = 1 (tương ứng với trạng thái khởi động), thì công suất máy biến áp phải là:

Pba  Pđm (3-107)

Khi hệ thống làm việc, trong mạch chỉnh lưu và nghịch lưu có dòng Id

chảy, khi đó:

E2d - Ebd = Id ( Rcl - Rbd) (3-108) Nếu bỏ qua tất cả sụt áp trên mạch, có thể coi gần đúng:

E2d  Ebd

Do đó : 2,34E2nm.s  2,34U2bacos

Xét cho trường hợp máy biến áp làm việc nặng nhất, ta lấy S = 1 và  = min

min 2 2ba cosnm

U  E (3-109)

Thông thường người ta lấy min = 200 , bằng tổng của góc chuyển mạch các van ( = 150) và góc khóa van an toàn ( = 50), hki đó ta có:

nm nm

ba E E

U2 0 2 1,06 2 20

cos

1 

 (3-110)

- Quan hệ giữa độ trượt s và dòng điện I2:

Phương trình s = f(I2) chính là phương trình của đặc tính cơ điện. Nếu có phương trình này, kêt hợp với biểu thức (3-97) ta xây dựng được đặc tính cơ s = f(M) hoặc  = f(M).

Khi hệ thống làm việc, điện áp ra của chỉnh lưu roto và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu là một:

U2d = Ubd (3-111)

Trong đó:

) . 48 , 0 (

45 , 2 . 34 , 2

. 2 .

2 . 34 , 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2

s X R

I s

E

I s m X

R I s E R

I E U

nm nm

nm

d nm nm

d nm

cl d d d





      

(3-112) Với Rnm2, Xnm2 là điện trở và điện kháng ngắn mạch của động cơ qui đổi về phía roto:

1 2 2 , 1 2 2

1 2 2 , 1 2 2

1 1

e nm

e nm

X K X X X X

R K R R R R

















(3-113)

Ke là hệ số biến áp của động cơ :

nm

e E

U E K E

2 1 2 1 



Điện áp nghịch lưu Ubd được xác định theo biểu thức đã nêu (3-101) Cân bằng phương trình trên và (3-112) ta rút ra phương trình s = f(I2):

 

2 2 2

2 2

2 2

2

502 , 0

48 , 0 . 047 , 1 cos

nm nm

nm ba

ba ba

X I E

R R X

I s U







  

(3-114) b) Trình tự tính toán dựng đặc tính cơ của động cơ trong sơ đồ nối tầng

- Trước hết lấy thong số hoặc tính toán thiết kế máy biến áp để biết giá trị U2ba. Nếu máy biến áp không cho trước , ta chọn U2ba theo công thức (3-108) hoặc (3-109).

- Chọn giá trị tốc độ không tải tương ứng với cấp tốc độ cần dựng đặc tính cơ vá độ trượt So:

1



kt  ycsđm (3-115)

1 1



 kt so 

 Trong đó:

yc là cấp tốc độ yêu cầu, hoặc tốc độ làm việc trên đặc tĩnh cơ cần dựng ứng với tải định mức;

sđm là độ trượt định mức của động cơ

1 tốc độ từ trường quay.

- Tính góc mở chậm của các van nghịch lưu ứng với cấp điều chỉnh So đã chọn.

Từ (3-105) ta có:

ba nm o

U E s

2

cos  2

- Lây các giá trị I2 khác nhau, tính ra các giá trị s tương ứng theo biểu thức (3- 114) và tính các giá trị tương ứng R2đt theo (3-99) .

- Thay từng bộ giá trị tương ứng I2, s, R2đt đã tính ở trên vào biểu thức (3-97) ta xác định được giá tri M.

Kết quả được kê trong bảng tính toán 3-3. Trong đó nếu lấy các cặp giá trị I2 và s, ta sẽ vẽ được đặc tính cơ điện, và lấy các cặp giá trị s và M ta sẽ vẽ được đặc tính cơ.

Bảng 3-3

I2 I2 = 0 I2.1 I2.2 .... I2.n

R2đt R2đt.1 R2đt.2 ... R2đt.n

S So S1 S2 ... Sn

M M = 0 M1 M2 ... Mn

Trên hình 3-89 đưa ra kết quả tính toán đói với động cơ 100KW; 380/220V;

1450 vòng/phút; E 2nm = 136V; R1 = 0,02; X1 = 0,133; R2 = 0,12; X2 = 0,06; sơ đồ nối tầng điện với bộ biến đổi là nghịch lưu tiristo có máy biến áp 380/220V

( điện áp dây) nối Y/Y; Rsc = 0,019; Xsc = 0,024 ; Rthc = 0,0026; Xthc = 0,014.

Họ đặc tính cơ điều chỉnh có Mth = const (nối tầng điện có momen không đổi)