TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHATÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

Giới thiệu động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ điện tiêu thụ khoảng 65% tổng năng lượng điện quốc gia, trong đó ngành công nghiệp chiếm tới 75% Máy điện không đồng bộ chiếm hơn 90% tổng lượng tiêu thụ trong lĩnh vực này nhờ vào đặc tính mạnh mẽ, đáng tin cậy và bền bỉ Ngoài ra, máy điện không đồng bộ dễ bảo trì, có chi phí hợp lý và kích thước nhỏ gọn hơn so với động cơ một chiều cùng công suất, khiến nó trở thành sự lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp.

Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo đơn giản, gồm stator và rotor Trên lõi thép của stator, có đặt 3 dây quấn lệch nhau 120 độ trong không gian giúp tạo ra từ trường quay ổn định Rotor của động cơ không đồng bộ 3 pha có hai loại chính, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghiệp.

Rotor dây quấn gồm 3 dây quấn đặt lệch nhau 120 độ trong không gian, thường được nối sao để đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy Các đầu dây quấn rotor được dẫn ra bên ngoài thông qua hệ thống vành trượt và chổi than, giúp duy trì liên tục kết nối mạch điện Khi máy hoạt động, dây quấn rotor phải được nối kín mạch để đảm bảo hiệu suất làm việc và ổn định.

Rotor lồng sóc là loại rotor phổ biến hơn nhờ nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm cấu tạo lõi thép hình trụ bên ngoài có các rãnh để đặt các thanh dẫn và được nối ngắn mạch lại giống như lồng sóc.

Nguyên lý hoạt động

Khi cung cấp nguồn xoay chiều 3 pha cho dây quấn stator, trong stator sinh ra từ thông 3 pha tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ns Tốc độ đồng bộ này được xác định bằng công thức: ns = (60 × f) / p, trong đó f là tần số và p là số cực của máy Điều này giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của máy móc điện và đảm bảo sự hoạt động ổn định, ổn định của hệ thống.

Tần số nguồn điện 3 pha, ký hiệu là f [Hz], đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ đồng bộ của động cơ Số đôi cực từ, p, phụ thuộc vào kết cấu dây quấn của động cơ, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ quay của nó Khi biết trước tần số nguồn lưới là f, bạn có thể dễ dàng tính toán tốc độ đồng bộ ns dựa trên công thức liên quan, như đã trình bày trong các bảng dữ liệu kỹ thuật của động cơ Điều này giúp người vận hành và kỹ thuật viên dễ dàng lựa chọn thông số phù hợp để tối ưu hóa hoạt động của động cơ trong các ứng dụng công nghiệp.

Nguồn điện tiêu chuẩn thường có tần số là 50Hz tại Việt Nam và các nước châu Âu, hoặc 60Hz tại Mỹ và Nhật Bản Việc biết tốc độ định mức của động cơ giúp dễ dàng xác định tần số nguồn cấp và số cực của động cơ phù hợp, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định hơn.

Trong động cơ không đồng bộ, từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dẫn rotor, tạo ra sức điện động E2 và sinh dòng điện trong rotor Dòng điện này gây ra lực tác dụng làm rotor quay cùng chiều với từ trường quay nhưng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, do đó gọi là chế độ động cơ không đồng bộ Tại điểm làm việc định mức, tốc độ của rotor gần bằng tốc độ đồng bộ, khi đó, dòng điện rotor cảm ứng lên stator sẽ sinh ra sức điện động E1.

Ta có phương trình sau: s = ns n = ❑ n = ns−n ns = s− ¿ s ¿ Hay: n = ns(1- s);  = s (1 – s);

Lưu ý: Để đảo chiều động cơ không đồng bộ ba pha thì ta sẽ đảo chiều 2 trong

3 pha điện áp đưa vào stator Khi đó, chiều từ trường quay ns sẽ bị đảo và dẫn đến đảo chiều quay của động cơ.

* Quy đổi sang sơ đồ một pha

Hình 1-2 trình bày mạch tương đương một pha của stator trong động cơ điện Khi rotor đứng yên, động cơ được xem như một máy biến áp cách ly, giúp phân tích hoạt động của chúng một cách chính xác Tổng trở mạch rotor bao gồm các thành phần R2 và X2, trong đó N2 là số vòng dây quấn của rotor Sức điện động E2 phát sinh khi rotor đứng yên đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và đặc tính hoạt động của động cơ.

Giả sử rằng rotor quay với tốc độ n, khi đó, sức điện động mạch rotor Er tỉ lệ với tốc độ tương đối n, E2ns; Erns-n Khi đó:

Tương tự đối với tần số mạch rotor: fr f = ns−n ns → fr = s*f

Với L2 là điện cảm dây quấn rotor và X2 là điện kháng dây quấn rotor khi rotor đứng yên Nên dòng điện rotor tại tốc độ n là:

Nên mạch rotor có thể đơn giản như hình sau:

Hình 1-3 Mạch tương đương 1 pha của stator và rotor

Suy đó ta có thể quy đổi rotor về stator

Trong hình 1-4, mạch tương đương một pha khi phân tách điện trở rotor được trình bày rõ ràng Để thuận tiện cho công tác tính toán, mạch rotor được quy đổi về phía stator, đảm bảo giữ nguyên điện áp và bảo toàn công suất của hệ thống Việc quy đổi này giúp đơn giản hóa quá trình phân tích và thiết kế các hệ thống điện động lực.

Hình 1-5 Mạch tương đương 1 pha khi phân tách điện trở rotor Phương trình đặc tính tốc độ:

X eq = X 1 + X 2 , : điện kháng ngắn mạch

R ' = R ' 2 + R ' f : điện trở qui đổi Khi mở máy tốc độ n = 0 nên hệ số trượt s=1

Dòng điện khi mở máy: I ' 2 mm ❑ = V p

Phương trình đặc tính cơ:

Hình 1-6 Giản đồ công suất động cơ Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất động cơ.

Công suất điện từ chuyển từ Stator sang Rotor

Mđt :moment điện từ động cơ

P đ t =P c ơ + Δ P f + Δ P cu 2 Nếu tổn hao phụ không đáng kể Δ P f = 0 thì Mđt = Mcơ =M

Phương trình đặc tính cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha là phương trình quan trọng xác định đặc điểm hoạt động của máy Đường biểu diễn của phương trình này có dạng đường cong, giúp dễ dàng phân tích các trạng thái làm việc của máy Các điểm cực trị trên đồ thị được xác định bằng cách giải phương trình dM/ds = 0, từ đó xác định được độ trượt tới hạn Điều này giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về giới hạn hoạt động của thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

Thay phương trình (3) vào phương trình đặc tính cơ ta được moment tới hạn:

(+) : ứng với trạng thái động cơ (-) : ứng với trạng thái máy phát

Hệ số quá tải về moment : λ M = M max

Các thông số ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ

1.3.1 Ảnh hưởng của điện áp:

Khi điện áp đặt vào động cơ giảm:

Ta thấy moment tới hạn sẽ giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ suy giảm của điện áp.

Trong khi tốc độ đồng bộ n s = 60 p f không thay đổi.

Và độ trượt tới hạn s max = R 2

[ √ R 1 2 + X eq 2 ] cũng không thay đổi.

Mmax nói lên khả năng quá tải của động cơ.

Moment mở máy (Mmm = K2.V 2 ) giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ suy giảm của điện áp.

Hình 1-8 Đặc tính cơ tự nhiên của ĐC KĐB ba pha khi thay đổi điện áp.

1.3.2 Ảnh hưởng của điện trở hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch Stator:

Khi thêm điện trở phụ Rp vào Stator, tốc độ đồng bộ ns vẫn giữ nguyên trong khi trượt tới hạn Smax giảm, dẫn đến giảm moment tới hạn Mmax và moment mở máy Mmm Việc này ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của máy và cần xem xét kỹ lưỡng khi điều chỉnh điện trở phụ trong hệ thống.

Hình 1-9 ĐC KĐB ba pha khi thêm điện trở phụ.

Khi thêm điện kháng phụ Xf (giả sử Xf = Rf) vào mạch Stator, tốc độ đồng bộ ns vẫn không đổi, trong khi độ trượt tới hạn giảm nhưng vẫn còn lớn hơn khi thêm Rf Đồng thời, moment mở máy Mmm giảm xuống, tương tự như khi thêm Rf vào mạch.

Hình 1-10 ĐC KĐB ba pha khi thêm điện kháng và điện trở phụ.

Thêm Xf vào hệ thống giúp tăng khả năng quá tải của động cơ, điều này thể hiện qua chỉ số Mmax phản ánh khả năng chịu quá tải của động cơ Khi bổ sung Rf và Xf, đặc tính cơ của hệ thống thể hiện dạng phù hợp, góp phần cải thiện hiệu suất vận hành và độ bền của động cơ Việc điều chỉnh các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa khả năng chịu tải và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện tải cao.

Hình 1-11 Đặc tính cơ khi thêm R f và X f

1.3.3 Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor:

Hình 1-12 ĐC KĐB ba pha khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn

Rotor của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thay đổi điện trở mạch rotor, do đó chỉ có thể điều chỉnh điện trở trong trường hợp động cơ dây quấn rotor Trong các động cơ này, mạch rotor có thể được nối với điện trở ngoài thông qua hệ vòng trượt hoặc chổi than, giúp điều chỉnh hiệu suất và khả năng vận hành của động cơ.

Điện trở mạch rotor R2 có thể tăng lên khi đổi thành R2', gây ra sự tăng độ trượt tới hạn trong động cơ Khi R2' tăng, tốc độ đồng bộ và mômen tới hạn vẫn giữ nguyên, còn độ trượt tới hạn tăng lên, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của motor Sự điều chỉnh này giúp kiểm soát tốt hơn các đặc tính làm việc của hệ thống, phù hợp với các yêu cầu vận hành khác nhau.

Hình 1-13 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor.

1.3.4 Ảnh hưởng của số đôi cực từ p:

Khi tăng hoặc giảm số đôi cực từ p, tốc độ đồng bộ ns sẽ giảm hoặc tăng, dẫn đến tốc độ quay của rotor giảm hoặc tăng Smax không phụ thuộc vào p nên giữ nguyên, phản ánh sự ổn định về độ cứng của đặc tính cơ Tuy nhiên, thay đổi số đôi cực từ yêu cầu điều chỉnh cách đấu dây ở stator, làm thay đổi các thông số như R1 và X1, từ đó ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn tùy vào từng trường hợp.

Dạng của đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực từ p còn phụ thuộc vào yêu cầu của việc đổi tốc:

Hình 1-14 Đặc tính cơ khi đổi tốc độ đảm bảo moment không đổi (Δ/YY).

Hình 1-15 Đặc tính cơ khi đổi tốc độ đảm bảo công suất không đổi (YY/Δ).

Hình 1-16 Đặc tính cơ khi đổi tốc độ đảm bảo moment và công suất không đổi

1.3.5 Ảnh hưởng của tần số:

Từ biểu thức: n s = 60 p f ta thấy khi thay đổi tần số sẽ làm tốc độ động cơ thay đổi.

Từ biểu thức (7) s max = X R ' eq

Với f1: tần số điện áp đặt vào Stator

 Khi thay giảm f1 thì smax và Mmax tăng, nhưng Mmax tăng mạnh hơn.

 Do vậy độ cứng đặc tính cơ tăng khi f1 giảm.

Khi tần số F1 giảm xuống dưới tần số dự đoán (fđm), tổng trở của các cuộn dây cảm trở giảm, dẫn đến dòng điện động cơ tăng lên nếu điện áp cấp Uđm vẫn giữ nguyên Điều này có thể gây quá nhiệt cho động cơ, làm ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị Do đó, cần kiểm soát tần số và dòng điện để đảm bảo an toàn và hoạt động ổn định của động cơ điện.

2 × 60 9,55 × 2 Π f 1 L nm khi thay đổi tần số sẽ làm thay đổi

Khi tăng tốc độ động cơ, khả năng quá tải sẽ giảm đi, giúp tránh các rủi ro về quá nhiệt hoặc hư hỏng Để duy trì khả năng quá tải không thay đổi, cần điều chỉnh đồng bộ tần số và điện áp sao cho tỷ số V/f luôn giữ ở mức cố định Điều chỉnh đúng tỷ số này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và bền bỉ, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện Việc duy trì tỷ số V/f ổn định là yếu tố quan trọng trong điều chỉnh tốc độ của động cơ AC.

Trong vùng f1 < f (như hình), Mmax sẽ giữ nguyên không đổi Khi f1 > f1đm, Mmax không thể tăng do nguồn cấp giữ U1=U1đm, dẫn đến Mmax giảm theo tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số Điều này tuân theo mối quan hệ Uf1P = hằng số.

Hình 1-17 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số.

Mở máy và tính điện trở mở máy

Để hạn chế dòng khởi động và tăng mômen khởi động của động cơ Rotor dây quấn, người ta thường sử dụng điện trở phụ trong mạch rotor trong quá trình khởi động Các điện trở này giúp kiểm soát dòng khởi động, giảm quá tải và bảo vệ động cơ Sau khi động cơ đã ổn định hoạt động, các điện trở phụ sẽ được loại dần theo từng cấp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Sử dụng phương pháp này là một giải pháp hiệu quả để nâng cao độ bền và khả năng vận hành của động cơ rotor dây quấn.

Khi đóng điện trực tiếp vào stator của động cơ không đồng bộ, ban đầu rotor chưa quay dẫn đến độ trượt lớn (s=1), làm sinh ra sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng với cường độ cực lớn Dòng điện này đặc biệt lớn ở các loại động cơ có công suất trung bình và lớn, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị.

Hình 1-18 Đặc tính cơ khởi động qua các cấp điện trở.

 Quá trình tính toán khởi động như sau:

 Bước 1: Dựa vào các thông số định mức của động cơ tiến hành vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên.

 Bước 2: Chọn giá lớn nhất và nhỏ nhất cho phép trong quá trình mở máy.

Trong bài viết này, chúng tôi trình bày điều kiện M2 ≥ (1,1 ÷ 1,3) M đ m khi MC < Mđm Để xác định các giá trị này, ta đặt M1 và M2 trên trục hoành, sau đó vẽ hai đường thẳng song song I và II cắt các đường thẳng song song với trục hoành xuất phát từ điểm n0 tại t – điểm xuất phát của tia mở máy Các hướng dẫn này giúp đảm bảo tính chính xác trong quá trình xác định vị trí và đặc điểm của các điểm M1, M2 trong không gian hình học, phù hợp với các quy tắc của SEO cho nội dung kỹ thuật và học thuật.

Từ g dựng đường thẳng song song với trục hoành cắt II tại f, nối t và f kéo dài cắt I tại e (đường số 1).

Từ e dựng đường thẳng song song trục hoành ,cắt I tại d, nối d và t kéo dài cắt

Từ c dựng đường thẳng song song trục hoành ,cắt II tại b ,nối b và t kéo dài cắt I tại a (đường số 3).

Tia cuối cùng đi qua điểm A, nằm ở giao điểm của trục hoành và đường thẳng song song với trục tung xuất phát từ M1 Việc xác định chính xác điểm A phụ thuộc vào việc lựa chọn lại vị trí của M1, M2 hoặc cả hai để đảm bảo tính chính xác trong quá trình dựng hình và phân tích Điều này đặc biệt quan trọng trong các bài toán liên quan đến hình học và thiết kế kỹ thuật, đòi hỏi sự chính xác trong xác định các điểm giao nhau của các đường thẳng và trục tọa độ.

 Bước 3 : Tính điện trở phụ bằng phương pháp đồ thị

Từ phương trình (7): s max = X R ' eq

Lập tỉ số: s s maxT N max N T = R ' 2

Trên đường số (1) ta có: R f I = R 2 ( je − jg jg ) = R 2 ( eg jg )

Trên đường số 2 ta có: R f II = R 2 ( jc − jg jg ) = R 2 ( cg jg )

Tương tự trên đường số 3: R f III = R 2 ( ja− jg jg ) = R 2 ( ag jg )

Hãm máy

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ của máy phát điện vượt quá ngưỡng n0, gây ra dòng điện trả về lưới điện và tạo ra moment hãm ngược chiều với chiều quay của dòng điện Khi tốc độ hãm lớn, hệ thống hãm tái sinh không phù hợp để dừng máy mà chủ yếu được sử dụng trong hãm ghìm, giúp kiểm soát tốc độ hiệu quả trong quá trình hoạt động.

Hãm tái sinh có thể thực hiện một trong hai cách sau :

 Cách 1: Giảm tốc độ bằng phương pháp tăng số đôi từ cực đảm bảo moment không đổi.

Lúc này hãm tái sinh xảy ra ở góc phần tư thứ hai.

Ta có: n > n0 ⇒ s= n 02 −n n 02 < 0thay vào phương trình

⇒ Đoạn Bn02 là đoạn hãm tái sinh

Vì n< n02 ⇒ S > 0 nên khi thay vào phương trình đặc tính cơ MĐ > 0

⇒ Đoạn n02C là đoạn đặc tính động cơ giảm tốc. Đến điểm C thì MĐ=MC và động cơ quay ổn định với tốc độ nhỏ ω C

Hình 1-19 Đặc tính hãm tái sinh bằng phương pháp tăng số đôi từ cực đảm bảo moment không đổi.

 Cách 2: Ta tiến hành hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo cực tính 2 trong

3 pha nguồn đưa vào động cơ.

Thì hãm tái sinh sẽ xảy ra ở góc phần tư thứ tư.

Hình 1-20 Đặc tính hãm tái sinh bằng phương pháp đảo cực tính hai trong ba pha nguồn đưa vào động cơ.

Giống như động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của động cơ không đồng bộ cũng có hai cách:

Để thực hiện quá trình hãm ngược cho động cơ, ta đảo thứ tự hai trong ba pha nguồn cung cấp khi động cơ đang quay thuận, gây ra hãm ngược tại góc phần tư thứ hai Quá trình này làm cho điểm làm việc của động cơ chuyển từ điểm A trên đặc tính cơ sang điểm B cùng tốc độ ω E do quán tính cơ, bắt đầu giai đoạn hãm nối ngược Khi tốc độ giảm theo đặc tính 2 đến điểm D, nếu cắt điện tại thời điểm này, động cơ sẽ dừng lại; ngược lại, nếu không cắt điện, sau khi tốc độ giảm đủ, động cơ sẽ bắt đầu tăng tốc và làm việc ổn định tại điểm E với tốc độ ω E theo chiều ngược lại, phù hợp với đặc tính vận hành của hệ thống.

Khi động cơ hãm nối ngược theo đặc tính 2, điểm B tương ứng với moment âm trị số nhỏ gây ra hiệu quả hãm không cao Do đó, cần phải tăng cường moment hãm ban đầu để đảm bảo hiệu quả hãm mong muốn Việc điều chỉnh này giúp nâng cao khả năng kiểm soát và an toàn trong quá trình vận hành của hệ thống.

Hình 1-21 Đặc tính hãm ngược bằng phương pháp đảo thứ tự 2 trong 3 pha nguồn đưa vào động cơ.

X  U p phụ thì động cơ sẽ chuyển điểm làm việc sang đặc tính cơ 2 và tăng tốc tiếp tới điểm E.

Khi trị số Rph lớn, động cơ có đặc tính ba pha khi hãm nối ngược sẽ kết thúc quá trình hãm tại điểm I Trong trường hợp này, động cơ không thể tăng tốc để chạy ngược lại do điều kiện I d = √3 ⥂ I p không được thỏa mãn, dẫn đến quá trình hãm diễn ra hiệu quả và không xảy ra sự tăng tốc ngược.

 Cách 2: Ta thêm điện trở phụ vào mạch Rotor lúc đó hãm ngược xảy ra ở góc phần tư thứ tư.

+ Đoạn B ' C ' : là đoạn đặc tính cơ giảm tốc.

+ Đoạn C ' D ' : là đoạn đặc tính cơ hãm ngược thêm điện trở phụ RP.

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ rotor dây quấn truyền động các cơ cấu nâng hạ tải, sử dụng thêm điện trở phụ trong mạch phần ứng để dừng và hạ vật Khi động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đường 1 sang B trên đường 2 với tốc độ ω A, mômen động cơ MĐ nhỏ hơn mômen tải MB, làm cho động cơ giảm tốc và vật nâng lên chậm dần đến điểm D, nơi tốc độ ω=0 và vật dừng Khi tải trọng vượt quá khả năng nâng, vật bắt đầu tụt xuống, chiều quay đảo lại, động cơ vẫn sinh mômen dương nhưng nhỏ hơn mômen tải MC, khiến vật tiếp tục tụt, động cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược với đặc tính nằm ở góc phần tư thứ IV Điểm làm việc của động cơ khi hãm dịch chuyển theo đặc tính hãm từ D đến E, giúp kiểm soát quá trình hạ tải an toàn và hiệu quả.

Tại điểm E, ta có MĐ = ME = MC, và động cơ hoạt động với tốc độ quay đều, giúp hãm và hạ vật xuống với tốc độ ω E Chế độ này cho phép động cơ hoạt động ở chế độ máy phát, đảm bảo quá trình hạ vật diễn ra an toàn và ổn định Việc duy trì tốc độ quay đều trong quá trình hạ vật là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong hệ thống điều khiển cơ khí.

Hình 1-22 Đặc tính hãm ngược bằng phương pháp thêm điện trở phụ vào mạch Rotor.

Để hãm động năng kích từ độc lập của động cơ không đồng bộ đang hoạt động ở chế độ đông cơ, cần ngắt phần stator khỏi nguồn điện xoay chiều và cấp vào stator dòng điện một chiều qua các tiếp điểm H để kích từ Việc điều chỉnh dòng kích từ được thực hiện qua biến trở Rkt nhằm kiểm soát quá trình hãm động năng một cách hiệu quả.

Hình 1-23 Sơ đồ mạch động lực hãm động năng kích từ độc lập.

Trước khi hãm, động cơ hoạt động theo đặc tính cơ 1 tại điểm A, thể hiện trạng thái làm việc bình thường Khi xảy ra quá trình hãm, động năng của hệ thống chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính hãm động năng, giúp giảm tốc và kiểm soát quá trình dừng của động cơ một cách hiệu quả Hiểu rõ quá trình chuyển đổi này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

2 ở góc phần tư thứ II.

Hình 1-24 Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập.

Đặc tính cơ khi đảo chiều quay động cơ

Để đảo chiều quay động cơ không đồng bộ 3 pha, cần phải đảo thứ tự 2 trong

Trong quá trình đưa ba pha điện áp vào stator, chiều từ trường quay ns sẽ bị đảo, dẫn đến đảo chiều quay của động cơ và làm tốc độ từ trường quay ns cũng bị đảo chiều Điều này gây ra việc tốc độ đồng bộ góc ωs cũng bị đổi dấu, và điểm làm việc sẽ được xác lập tại điểm E Vì vậy, khi thực hiện các phép tính liên quan, cần chú ý thêm dấu trừ trước ns và ωs để đảm bảo tính chính xác Công thức tính tốc độ tuyến tính s dựa trên tần số fp là s = (ωs − ω) / ωs, trong đó ωs bằng 60f/p.

Vì vậy ta có đặc tính của động cơ khi đảo chiều quay

Hình 1-25 Đặc tính cơ khi đảo chiều quay động cơ

Khi đảo thứ tự của hai pha trong ba pha điện áp stator, tốc độ từ trường quay (ns) sẽ bị đảo chiều, dẫn đến sự thay đổi hướng của từ trường Điều này gây ảnh hưởng đến tốc độ đồng bộ góc (s), khiến nó bị đảo dấu, tác động trực tiếp đến điểm làm việc ban đầu của máy Hiểu rõ quá trình này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Các thông số của động cơ

2p N 1 (vòng) N 2 (vòng) K dq1 K dq2 cosφ

Bảng 2.1 Số liệu động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

Pđm (kW): công suất định mức

Uđm (v): điện áp định mức 2p: số đôi cực

N1(vòng): số vòng dây quấn stator

N2(vòng): số vòng dây quấn rotor

Kdq1: hệ số dây quấn stator

Kdq2: hệ số dây quấn rotor Cosφ: hệ số công suất m1, m2: số pha dây quấn stator và rotor

R1(Ω), X1(Ω): điện trở, điện kháng dây quấn stator

R2(Ω), X2(Ω): điện trở, điện kháng dây quấn rotor η: hiệu suất λM: hệ số năng lực quá tải (tỉ số giữa momen Mmax và Mđm)

Tính toán các thông số động cơ không đồng bộ ba pha

Ta có phương trình đặc tính cơ tự nhiên của động cơ khi làm việc tải định mức:

Dựa trên phương trình đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện không đồng bộ ba pha, ta cần xác định các thông số quan trọng như hệ số trượt (s), tốc độ góc (ws), điện trở rotor quy đổi về stator (R2), và điện kháng ngắn mạch (Xeq) Các thông số này giúp đánh giá chính xác khả năng hoạt động của động cơ, từ đó tính toán mô men quay mô men Mmm một cách chính xác, đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống động lực.

 Đầu tiên, ta sẽ xác định tốc độ: n s = 60×f p = 60× 50 4 = 750 (vòng/phút) w s = 2 60 π n s = 9,55 n s = 9,55 750 = 25 π (rad/s)

- Hệ số quy đổi về suất đện động:

- Hệ số quy đổi điện trở và điện kháng:

- Điện trở rotor quy đổi về startor

- Điện kháng rotor quy đổi về stator:

Ta có: Pcơ = Pđm= η.Pđiện;

Mà: công suất điện định mức: Pđiện = √ 3 U đm Iđm.cosφ

- Do Stator đấu Y nên dòng stator (I1đm)

- Do sức từ động phía Stator lớn hơn phía rotor 20% mà sức từ động: F=N.I

- Dòng điện rotor quy đổi về startor:

- Hệ số trượt ở chế độ định mức: sđm

Ta có phương trình dòng điện Rotor quy về Stator:

- Tốc độ định mức của động cơ: s đ c,đm = n s - n đc,đm s

Suy ra: nđc,đm = ns.(1-Sđc,đm) = 750.(1 – 0,073) = 695 (v/p)

- Ta có biểu thức KLOSS : M 2.M max s s max + s max s

2.M max s đm s max + s max s đm

√ R 1 2 + X eq 2 =0,16 √ 0,22 2 +0,864 2 = 0,179 nđc = ns.(1 – s max ) = 750.(1 – 0,179) = 616 (v/p) Thay smax = 0,179 và sđm = 0,073 thay vào phương trình (*), ta được: λ M =1

Moment tới hạn của động cơ:

Tọa độ điểm tới hạn (M max ; s max ) = (1080,73; 0,179)

 Momen mở máy (với nđc = 0 => s= n s −n n đc s = n n s s = 1)

- Ta có thể lập bảng giá trị các điểm cần để vẽ đặc tính cơ với 2 công thức: nđc = ns.(1 –s); M=

Bảng 2.2 Một số điểm để vẽ đặc tính cơ

Hình 2-1 Đặc tính cơ tự nhiên

Tính toán các giá trị các cấp điện trở phụ đóng vào mạch để giảm dòng mở máy còn 0,8.I mm , 0,75.I mm , 0,5.I mm

Việc thêm điện trở phụ vào rôto giúp giảm dòng mở máy, từ đó hạn chế tác động tiêu cực đến hệ thống điện Điều này đảm bảo sự ổn định của hệ thống, tránh gây ảnh hưởng lớn đến các thiết bị khác trong mạng lưới điện và các phụ tải liên quan Lắp đặt điện trở phụ là bước quan trọng để bảo vệ hệ thống điện và nâng cao độ bền của các thiết bị liên quan.

Ta có công thức khi mở máy thì nđc = 0 => s = 1.

√ ( R 1 + R s 2 ' ) 2 + X eq 2 = √ ( 0,22+ 400/ 0,16 1 √ ) 3 2 +0,864 2 = 244,67 (A) Khi thêm R f ' vào thì ta được công thức lúc này là:

Ta có công thức khi mở máy thì nđc = 0 => s = 1.

√ ( R 1 + R s 2 ' ) 2 + X eq 2 = √ ( 0,22+ 400/ 0,16 1 √ ) 3 2 +0,864 2 = 244,67 (A) Khi thêm R f ' vào thì ta được công thức lúc này là:

Ta có công thức khi mở máy thì nđc = 0 => s = 1.

Khi thêm R f ' vào thì ta được công thức lúc này là:

Xác định điện trở phụ thêm và mạch rotor để nâng tải với các cấp độ: n=1/2 n đm , n=1/3 n đm , n=2/3 n đm

Trong hệ thống nâng cầu trục tải trọng, việc điều chỉnh tốc độ không phải lúc nào cũng duy trì ổn định ở một mức cố định, mà cần linh hoạt thay đổi để phù hợp với yêu cầu của quá trình sản xuất Để thực hiện điều này, cần thêm điện trở phụ vào mạch rotor nhằm điều chỉnh tốc độ vận hành của cầu trục một cách linh hoạt và hiệu quả.

Hình 2-2 Đặc tính nâng tải với các cấp tốc độ

2.4.1 Nâng tải với tốc độ n=1/2n đm

- Vì động cơ có công suất lớn P = 55 kW nên:

2 M max s đm s max + s max s đm

- Hệ số trượt khi nâng tải: s c = n s −n C n s = 750−348

- Do động cơ làm việc ở chế độ định mức và đường biểu diển qua điểm C nên

Hay: MC = M đm = 2.M s đm max s max + s max s đm

- Ta có phương trình SmaxC khi thêm điện trở phụ R f , : SmaxC = R 2

- Khi nâng tải với tốc độ n=1/2 nđm :

2.4.2 Nâng tải với tốc độ n=1/3 n đm

- Vì động cơ có công suất lớn P = 55 kW nên:

2 M max s đm s max + s max s đm

- Hệ số trượt khi nâng tải: s B = n s −n B n s = 750−232

2.M max s đm s max + s max s đm

- Ta có phương trình SmaxB khi thêm điện trở phụ R f ' : SmaxB = R 2

- Khi nâng tải với tốc độ n=1/3 nđm :

2.4.3 Nâng tải với tốc độ n=2/3n đm

- Vì động cơ có công suất lớn P = 55 kW nên:

- Hệ số trượt khi nâng tải: s D = n s −n D n s = 750− 464

- Do động cơ làm việc ở chế độ định mức và đường biểu diển qua điểm D nên

Hay: MD = M đm = 2.M s đm max s max + s max s đm

- Ta có phương trình SmaxD khi thêm điện trở phụ R f ' : SmaxD = R 2

- Khi nâng tải với tốc độ n=2/3 nđm :

Kết luận: Khi nâng tải với tốc độ n=1/2nđm thì R f = 0,2522 (Ω) , còn khi nâng tải với tốc độ n=1/3nđm thì R = 0,33625 (Ω), còn khi nâng tải với tốc độ n=2/3nđm

Trong quá trình nâng tải, tốc độ nâng càng chậm thì điện trở phụ thêm vào càng lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Ngược lại, khi tốc độ nâng tải tăng lên, điện trở phụ thêm vào sẽ giảm, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và giảm tiêu thụ năng lượng Hiểu rõ mối quan hệ này giúp cải thiện hiệu quả hoạt động của các hệ thống truyền động và giảm thiểu tổn thất năng lượng không mong muốn.

Xác định điện trở phụ thêm và mạch rotor để hạ tải với các cấp độ: n=1/2

Hình 2-3 Đặc tính hạ tải với các cấp tốc độ

Khi muốn giảm tải cho động cơ, cần thêm điện trở phụ vào mạch rotor để điều chỉnh tốc độ vận hành theo mong muốn Điều này khiến động cơ quay theo chiều ngược lại nhằm giảm tải hiệu quả Trong quá trình này, tốc độ các cấp sẽ là n = -1/2 nđm, n = -1/3 nđm, và n = -2/3 nđm, giúp kiểm soát tốc độ một cách linh hoạt và phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

Khi hạ tải thì moment cản bằng moment định mức nên:

2.5.1 Hạ tải với tốc độ n=1/2n đm

- Vì động cơ có công suất lớn P = 55 kW nên:

M đm = 2.M s đm max s max + s max s đm

- Hệ số trượt khi hạ tải: s F = n s −n F n s = 750−(−348 )

- Do động cơ làm việc ở chế độ định mức và đường biểu diển qua điểm F nên

2.M max s đm s max + s max s đm

- Ta có phương trình SmaxF khi thêm điện trở phụ R f ' : SmaxF = R 2

- Khi hạ tải với tốc độ n=1/2nđm :

2.5.2 Hạ tải với tốc độ n=1/3 n đm

- Vì động cơ có công suất lớn P = 55 kW nên:

2 M max s đm s max + s max s đm

- Hệ số trượt khi hạ tải: s E = n s −n E n s = 750−(−232)

- Do động cơ làm việc ở chế độ định mức và đường biểu diển qua điểm B nên

2.M max s đm s max + s max s đm

- Ta có phương trình SmaxE khi thêm điện trở phụ R f ' : SmaxE = R 2

- Khi hạ tải với tốc độ n=1/3 nđm :

2.5.3 Hạ tải với tốc độ n=2/3n đm

- Vì động cơ có công suất lớn P = 55 kW nên:

2 M max s đm s max + s max s đm

- Hệ số trượt khi hạ tải: s G = n s − n G n s = 750−(−464)

- Do động cơ làm việc ở chế độ định mức và đường biểu diển qua điểm D nên

2.M max s đm s max + s max s đm

- Ta có phương trình SmaxG khi thêm điện trở phụ R f ' : SmaxG = R 2

- Khi hạ tải với tốc độ n=2/3 nđm :

Kết luận: Khi hạ tải với tốc độ n=1/2nđm thì R f = 0,76 (Ω) , còn khi hạ tải với tốc độ n=1/3nđm thì R f= 0,674 (Ω), còn khi hạ tải với tốc độ n=2/3nđm thì R f= 0,907 (Ω)

Trong quá trình giảm tải, tốc độ giảm tải càng nhỏ thì điện trở phụ thêm vào càng nhỏ, giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn Ngược lại, khi tốc độ giảm tải càng lớn, điện trở phụ thêm vào sẽ tăng lên, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất Việc kiểm soát tốc độ hạ tải phù hợp đóng vai trò quan trọng để giảm thiểu tác động của điện trở phụ và tối ưu hóa hiệu quả hệ thống.

Thiết kế hệ thống cầu trục nâng hạ tải dùng động cơ AC không đồng bộ

Thiết kế truyền động cho cơ cấu nâng hạ của cầu trục điều khiển có khả năng làm việc ở nhiều cấp tốc độ khác nhau, nhờ vào việc điều chỉnh điện trở phần rotor, đồng thời thêm điện trở phụ để điều chỉnh tốc độ motor phù hợp Phương pháp này dựa trên nguyên lý tính toán đã trình bày ở phần 2.4, giúp tối ưu hóa hiệu suất và kiểm soát chuyển động của cầu trục một cách chính xác Việc áp dụng chỉnh điện trở phần rotor cho phép điều chỉnh dễ dàng các tốc độ vận hành khác nhau, nâng cao tính linh hoạt trong quá trình vận hành của hệ thống.

Việc điều chỉnh điện trở rotor chỉ áp dụng cho động cơ rotor dây quấn, không phù hợp với động cơ rotor lồng sóc Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ giúp điều chỉnh hệ số trượt s, từ đó xác định giá trị smax tại tốc độ cụ thể để lựa chọn điện trở phụ phù hợp Khi điều chỉnh điện trở rotor, người dùng có thể tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ, đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng Đây là kỹ thuật quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ bền của các loại động cơ điện rotor dây quấn.

Hình 2-4 Sơ đồ mạch động lực động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn

NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ

Với việc nâng hạ cầu trục sử dụng động cơ điện không đồng bộ ba thì sẽ có những ưu nhược điểm sau đây: Ưu điểm:

Động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và vận hành an toàn Đây là loại động cơ phù hợp để làm việc trong môi trường ẩm ướt nhờ khả năng hoạt động ổn định Đồng thời, độ bền cơ học cao giúp động cơ có tuổi thọ lâu dài, đảm bảo hiệu suất làm việc liên tục và hiệu quả trong các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.

- Sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị đấu nối khác.

Thêm điện trở phụ giúp thay đổi cấp tốc độ của hệ thống một cách đơn giản và dễ thực hiện Quá trình vận hành diễn ra thuận tiện nhờ việc đóng cắt khóa để điều chỉnh điện trở, phù hợp với yêu cầu của mạch rotor Việc này giúp kiểm soát tốc độ máy dễ dàng hơn, tăng tính linh hoạt trong vận hành.

- Phương pháp tích hợp với hệ truyền động có momen tải không đổi

- Dễ phát nóng đối với stator, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với rôtor khi điện áp lưới giảm.

- Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ.

- Nếu điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp.

Việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn do các thông số của máy biến đổi theo thời gian và đặc điểm cấu trúc phức tạp hơn so với máy điện một chiều.

Thêm điện trở phụ vào mạch rotor giúp điều chỉnh tốc độ động cơ, nhưng khi điều chỉnh sâu (tốc độ thấp), độ trượt của động cơ tăng lên, gây ra tổn thất năng lượng lớn hơn Chính vì vậy, việc sử dụng điện trở phụ cần cân nhắc kỹ để tối ưu hiệu quả vận hành của động cơ Việc điều chỉnh sâu sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu suất, tăng tiêu thụ năng lượng và giảm độ ổn định của hệ thống Để duy trì hiệu quả, cần thiết kế hệ thống phù hợp và hạn chế điều chỉnh vượt quá mức cần thiết khi sử dụng điện trở phụ trong mạch rotor.

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị của momen tải Momen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh sẽ hẹp đi.

Hướng phát triển đề tài trong tương lai

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở rotor thường ít được sử dụng hiện nay do hiệu suất thấp và khả năng điều chỉnh kém, đặc biệt là đặc tính điều chỉnh dốc Trong tương lai, chúng tôi hướng tới phát triển một bộ điều khiển tự động sử dụng các linh kiện bán dẫn để điều chỉnh điện trở phụ một cách chính xác và hiệu quả hơn, đáp ứng yêu cầu tự động hoá trong quá trình điều chỉnh tốc độ motor.