7. Ngày hoàn thành đồ án:
2.2.1. Phương pháp điều chỉnh điện trở rôto
a. Nguyên lý điều chỉnh
Trước hết cần phải nói rằng việc điều chỉnh điện trở rotor chỉ áp dụng được với động cơ roto dây quấn chứ không sử dụng được cho động cơ roto lồng sóc.
Như đã biết, với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi được độ cứng của đường đặc tính cơ bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch roto động cơ. Thực chất của phương pháp này là điều chỉnh công suất trượt; công suất trượt ở đây được lấy bớt ra và được biến thành tổn hao nhiệt năng vô ích trên điện trở.
+ Vì độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên: 0 2 2
2
th
th f rd
s R R
s =R +R = R
Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ, tức là đoạn có độ trượt từ s=0÷sth, là tuyến tính thì khi điều chỉ điện trở roto ta có thể viết:
0 0 2 0 2 th rd th rd s R s R s s s = s =R ⇒ = R
trong đó: s0 _ là độ trượt tới hạn khi điện trở roto là R2 (tức điện trở tự nhiên ở mạch roto); còn s _ là độ trượt khi điện trở roto là Rrd=R2+Rf.
Theo biểu thức mô-men thì:
2 2 2 1 2 2 2 1 0 1 ' 3 3 ' [( ) ] f rd nm R U I R s M R s R X s ω ω = = + +
Như vậy, khi thay đổi điện trở rotor, nếu giữ dòng roto I2 không đổi thì mô men không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy, phương pháp điều chỉnh
Chương 2: Trang bị điện – điện tử hệ thống hai cầu trục nhà máy trị an
tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với hệ truyền động có mô men tải không đổi.
Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh thay đổi điện trở rotor có cấp như sau:
M MC Mth TN,Rrd Rrd+Rf1 Rrd+Rf2 Rrd+Rf3 Rrd+Rf4 a) b)
Hình 1.1. Điều chỉnh điện trở mạch rotor a) Sơ đồ khối b) Các đặc tính cơ tương ứng
Khi đóng cắt các tiếp điểm rơle, điện trở phụ sẽ được thêm vào mạch rotor.
b. Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của phương pháp
+ Có thể nói việc sử dụng phương pháp điều chỉnh điện trở rotor trong điều chỉnh truyền động, về mặt lý thuyết, là một phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và vận hành.
+ Phương pháp này như đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mômen không đổi như cơ cấu nâng-hạ cần trục. Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai đoạn khởi động; cho phép điều chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng điện trở R0 kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh. Mặt khác, việc điều chỉnh được tiến hành ở mạch rotor nên
không gây ảnh hưởng đến công suất động cơ tiêu thụ đưa vào stator; tức là không gây ảnh hưởng đến lưới điện và tải khác khi động cơ khởi động.
+ Tuy vậy, thực chất của phương pháp là dựa vào việc điều chỉnh công suất trượt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi. So với phương pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu tư hơn, nhưng lại có tổn thất khi điều chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất nhỏ và trung bình (dưới 100kW).
+ Đặc tính cơ của động cơ khi thêm vào điện trở phụ mềm, độ ổn định tốc độ thấp, khi tải thay đổi thì tốc độ thay đổi lớn. Với động cơ nâng hạ khi hạ tải hoạt động ở chế độ hãm ngược không tiết kiệm năng lượng cho hệ thống.
+ Thay đổi điện trở rotor bằng cách thêm điện trở phụ làm cho tốc độ động cơ thay đổi có cấp. Điều này là nhược điểm rất lớn trong việc thực hiện chạy phối hợp 2 cầu trục 250 tấn để nâng và hạ rotor 500 tấn đặt vào trong stator. Bởi vì việc chạy phối hợp để nâng hạ như vậy đòi hỏi độ chính xác và độ mịn điều khiển tốc độ rất cao.
2.2.2. Hệ thống điều khiển bằng rơle điện từ
Các hệ thống điều khiển bằng các rơle điện từ được nối với nhau bằng dây dẫn điện trong bảng điều khiển, trong nhiều trường hợp bảng điều khiển quá lớn đến nỗi không thể gắn toàn bộ lên trên tường và các dây nối không hoàn toàn tốt. Vì vậy rất hay xảy ra trục trặc trong hệ thống. Một điểm quan trọng nữa là thời gian làm việc của các rơle có giới hạn nên khi thay thế phải dừng toàn bộ hệ thống và dây nối cũng phải thay mới cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ phục vụ cho một chức năng riêng biệt không thể thay đổi tức thời thành chức năng khác mà phải lắp ráp lại toàn bộ. Và trong trương hợp bảo trì cũng như sửa chữa đòi hỏi phải có thợ chuyên môn có tay nghề cao. Như vậy hệ điều khiển rơle hoàn toàn không linh động.
Tóm lại ta có thể thấy hệ thống điều khiển cũ sử dụng rơle điện từ có nhiều nhược điểm như sau:
o Tốn kém rất nhiều dây dẫn, thay thế phức tạp.
o Công suất tiêu thụ lớn.
o Cần công nhân sửa chữa có tay nghề cao, thời gian sửa chữa lâu.
o Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo trì cũng như bảo dưỡng.
Chương 2: Trang bị điện – điện tử hệ thống hai cầu trục nhà máy trị an
Ngoài do các máy móc thiết bị từ lâu và đã trở lên lạc hậu. Trong khi đó khoa học công nghệ hiện nay đang phát triển mạnh trong đó có cả công nghệ vật liệu nên các thiết bị máy móc trở nên nhỏ gọn hơn mà tính năng không thua kém trước và tiết kiệm năng lượng nên hiện nay các thiết bị máy móc trước kia không còn sản xuất nữa làm cho việc mua thiết bị thay thế trở nên khó khăn.
Từ những nhược điểm đã nêu đặt ra yêu cầu cần phải thay mới hệ thống điều khiển cho hai giàn cầu trục. Hệ thống mới đòi hỏi phải khắc phục được những nhược điểm của hệ thống cũ, đồng thời có những tính năng ưu việt hơn.
Yêu cầu đối với hệ thống mới :
o Đảm bảo được các chuyển động đúng yêu cầu kỹ thuật. Mômen khởi động lớn, tốc độ ổn định cho các chuyển động.
o Thực hiện được việc chạy phối hợp nâng hạ rotor 500 tấn đặt vào trong stator.
o Thao tác lái cầu ít thay đổi nhất có thể. Trong trường hợp tối ưu, các thao tác này không thay đổi.
o Tiết kiệm điện năng trong quá trình vận hành.
o Tiết kiệm chi phí nhân công sửa chữa, bảo trì thiết bị và giảm gián đoạn trong sản xuất.
o Giữ lại các động cơ truyền động, các bộ phanh hãm và các bộ truyền động cơ khí khác nhằm giảm chi phí lắp đặt ( tái sử dụng thiết bị cũ ).
2.3. Thiết kế hệ thống mới thay thế
2.3.1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ thay thế phương án điều chỉnh tốc độcũ cũ
a. Điều chỉnh điện áp stator
Momen quay của động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp stator, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong khi giữ nguyên tần số. Khi thay đổi U1 giữ nguyên đặc tính tải thì đặc tính cơ biến đổi dần dần đến làm thay đổi hệ số trượt. Khi tải không đổi nghĩa là khi M = const hệ số trượt biến đổi coi như tỉ lệ nghịch với bình phương điện áp s = 1 / U2, các hệ số trượt khác nhau ứng với các giá trị Uđm khác nhau. Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ ta phải sử dụng các bộ biến đổi điện áp.
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh điện áp
Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tưởng thì theo biểu thức momen tới hạn ta có quan hệ sau: 2 . th u th b dm U M M = U
Nếu tốc độ của động cơ là không đổi thì M = Mu / Mth công thức trên đúng với mọi giá trị điện áp momen trong đó:
- Uđm là điện áp định mức của động cơ. - Ub là đầu ra của điện áp xoay chiều.
- Mth là momen tới hạn khi điện áp là định mức.
- Mu là momen tới hạn khi điện áp là điện áp điều chỉnh. - Mgh là momen ứng với Uđm và điện trở phụ Rf.
Vì giá trị của độ trượt tới hạn Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ nên không áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Khi thực hiện cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn ta cần nối thêm điện trở phụ để mở rộng giới hạn điều chỉnh tốc độ và momen. Lúc đó độ cứng đặc tính cơ giảm đi trong đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính cơ đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay. Ta có đường đặc tính cơ như sau:
Chương 2: Trang bị điện – điện tử hệ thống hai cầu trục nhà máy trị an
Hình 1.2. Đặc tính cơ điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
Nhưng phương pháp này có nhược điểm là giảm khả năng quá tải của động cơ dải điều chỉnh tốc độ hẹp (từ s = 0 ÷ sđm), tăng tổn hao ở rotor nên phương pháp này chủ yếu được áp dụng cho những động cơ công suất vừa và nhỏ có hệ số trượt tới hạn sth lớn.
b. Điều chỉnh công suất trượt
Trong trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm
mềm đặc tính và giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs = s.Pđt
được tiêu tán trên mạch rotor. Các hệ 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 công suất trượt gọi là sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng. Hiện nay người ta dùng hệ nối tầng thyristor.
Với sơ đồ nối tầng dùng thyristor thì sức điện động rotor được qua bộ chỉnh lưu thành một chiều qua cuộn kháng cấp cho nghịch lưu phụ thuộc. Điện áp và tần số xoay chiều của nghich lưu là không đổi do được xác định bởi tần số và điện áp của lưới điện. Góc điều chỉnh của nghịch lưu thay đổi trong khoảng 900 ÷ 1400. Độ lớn của dòng rotor hoàn toàn phụ thuộc vào momen tải mà không phụ thuộc vào góc điều khiển của nghịch lưu.
Ở chế độ không tải lý tưởng khi dòng rotor bằng không thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ được tính: s0 = Ur0 / Um
Um là biên độ điện áp pha stator.
Nên nếu ta điều chỉnh được sức điện động chỉnh lưu mạch phía rotor thì có thể điều chỉnh được độ trượt không tải lý tưởng tức là điều chỉnh được tốc độ không tải lý tưởng mà giá trị của sức điện động chỉnh lưu được điều chỉnh bởi góc mở của nghịch lưu phụ thuộc. Đặc tính cơ của hệ nối tầng dùng thyristor ứng với các góc mở khác nhau như hình vẽ:
Chương 2: Trang bị điện – điện tử hệ thống hai cầu trục nhà máy trị an
Hình 1.3. Đặc tính cơ điều chỉnh công suất trượt
Do điện cảm cuộn lọc trong mạch một chiều có giá trị là hữu hạn nên dòng một chiều có thể bị gián đoạn nên đặc tính ở đoạn này có độ dóc lớn. Mặt khác do sụt áp gây nên bởi điện trở stator, điện trở mạch một chiều, điện trở điện kháng của máy biến áp cung cấp cho mạch nghịch lưu, sụt áp do chuyển mạch của nghịch lưu và chỉnh lưu cho nên các đặc tính cơ điều chỉnh đều có độ cứng và momen tới hạn nhỏ hơn đặc tính cơ tự nhiên.
Nguyên lý điều chỉnh công suất trượt thường áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm năng lượng có ý nghĩa rất lớn. Phạm vi điều chỉnh tốc độ không lớn lắm và momen động cơ bị giảm khi tốc độ thấp. Mặt khác các hệ thống lớn khi khởi động động cơ thường dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh cống suất trượt do đó nên áp dụng cho các hệ thống có số lần khởi động và đảo chiều ít.
c. Điều chỉnh tần số
Hiện nay là phương pháp điều chỉnh tốt nhất cho các động cơ không đồng bộ vì nó điều chỉnh trực tiếp công suất điện đầu vào động cơ , đặc tính cơ độ cứng không thay đổi trong dải điều chỉnh rộng . Với sự phát triển công nghiệp điện tử công suất ,
giá thành các bộ biến đổi ngày càng hạ , tính năng kĩ thuật ngày càng cao nên hệ truyền động điều khiển tần số hiện nay được dùng phổ biến nhất .
Theo lý thuyết máy điện ta có biểu thức:
p f1
1
2π
ω = ⇒ điều đó có nghĩa là thay đổi tần số sẽ làm tốc độ từ trường quáy và do đó dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi.
+ Khi tần số tăng ( f>fđm), thì mô-men tới hạn lại giảm (với điện áp giữ không đổi), cụ thể là: 2 1 1 f Mth ≈
+ Trong trường hợp tần số giảm, nếu giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ tăng (do f giảm ⇒ X=2πfL cũng giảm ⇒ I tăng), gây ảnh hưởng xấu đến các chỉ tiêu của động cơ. Vì vậy để bảo đảm một số chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định. Ta đi tìm hiểu một số luật điều chỉnh:
Điều chỉnh điện áp – tần số với từ thông là hàm của mômen tải
Còn gọi là điều khiển năng lực quá tải không đổi
Nguyên lý điều khiển
Đối với hệ biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ khả năng quá tải về mômen của động cơ là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Khả năng quá tải về mômen là: λM =Mth/Mc. Nếu bỏ qua điện dây quấn stato thì biểu thức mômen tới
hạn có thể tính như sau: 2 1 1 . = f U k Mth th
Trong đó kth - là hằng số, phụ thuộc vào thông số động cơ Điều kiện để giữ hệ số quá tải về mômen không đổi là :
dm c dm th c th M M M M M . . = = λ
Chương 2: Trang bị điện – điện tử hệ thống hai cầu trục nhà máy trị an
Hình 1.4. Xác định khả năng quá tải về mômen
Phương trình đặc tính cơ của máy sản xuất:
x dm c dm co c M M M M − + = ω ω ) ( 0
Nếu xem gần đúng: ω =ω1 và bỏ qua giá trị Mc0trong biểu thức tính mômen tải. Biến đổi ta được:
2 / 1 1 1 2 / 1 1 1 1 1 x dm x dm dm f f U U + + = = ω ω
Ở dạng đơn vị tương đối: 2 / 1 * 1 * 1 (f ) x U = + Nếu gần đúng có thể coi: 1 1 1 ≈ψ f U
. Nên có thể coi luật điều khiển này chính là luật từ thông hàm của mômen phụ tải:
c
s m*
* = ψ
Ưu và nhược điểm
+ Ưu điểm:
- Phương pháp này dễ thực hiện.
- Tổn thất công suất nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản kháng luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định mức.
- Tuy vậy, khó ổn định ở tốc độ thấp.Vì ở tần số thấp sụt áp trên điện trở Stator có thể so sánh với điện áp Stator.
Điều khiển điện áp – tần số giữ từ thông động cơ không đổi
Nguyên lý điều khiển
Từ thông móc vòng qua khe hở không khí ψσ tính theo: