thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ

LỜI NÓI ĐẦU Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp cũng như trong đời sống nhân dân. Sở dĩ như vậy là động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm vượt trội so với những động cơ khác như cấu tạo, vận hành đơn giản, giá thành hạ, kết cấu chắc chắn…Nhưng nhược điểm lớn nhất của động cơ này là việc điều khiển tốc độ rất khó khăn và đặc tính điều chỉnh không được như ý muốn. Do nhược điểm này mà trong thời gian trước đây, người ta ít sử dụng các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ mà chủ yếu sử dụng các hệ truyền động một chiều. Trước thực tế đó, cùng với sự phát triển của nghành điện tử bán dẫn công suất, các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đã ra đời và trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với các hệ truyền động động cơ một chiều. Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ dựa vào dựa vào việc ứng dụng các thiết bị điện tử công suất, nhưng trong đồ án này chỉ đưa ra xem xét hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc bằng bộ điều chỉnh pha. Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau:

Mục lục

Chương 1

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp

cũng như trong đời sống nhân dân Sở dĩ như vậy là động cơ không đồng bộ

có nhiều ưu điểm vượt trội so với những động cơ khác như cấu tạo, vận hành đơn giản, giá thành hạ, kết cấu chắc chắn…Nhưng nhược điểm lớn nhất của động cơ này là việc điều khiển tốc độ rất khó khăn và đặc tính điều chỉnh không được như ý muốn Do nhược điểm này mà trong thời gian trước đây, người ta ít sử dụng các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ mà chủ yếu sử dụng các hệ truyền động một chiều.

Trước thực tế đó, cùng với sự phát triển của nghành điện tử bán dẫn công suất, các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đã ra đời và trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với các hệ truyền động động cơ một chiều.

Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ dựa vào dựa vào việc ứng dụng các thiết bị điện tử công suất, nhưng trong đồ án này chỉ đưa ra xem xét

hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc bằng bộ điều chỉnh pha Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng

bộ 3 pha

Chương 2: Tính chọn mạch công suất

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

Trang: 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÔNG NGHỆ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

1.1 Tổng quan về công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng bộ 3 pha

1.1.1 Giới thiệu về khởi động mềm

Khởi động mềm là sử dụng bộ biến đổi điện áp để điện áp tăng tuyến tính

từ một giá trị xác định đến giá trị Uđm, hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ.

Sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển điện áp stato bằng cách điều khiển góc kích α.

1.1.2 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ 3 pha

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, chủ yếu dùng làm động cơ điện, do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại động cơ được dùng rộng rãi nhất trong nền kinh tế quốc dân với công suất từ vài đền vài chục KW.

Trong công nghiệp, thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong hầm mỏ thường dùng làm máy tời hay quạt gió, trong nông nghiệp thường dùng làm máy bơm nước hay các máy gia công nông sản Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí quan trọng như: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh,…Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền điện khí hóa, tự động hóa và các phương tiện sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.

Tuy vậy động cơ không đồng bộ cũng có những nhược điểm như là hệ số cosᵠ của máy không cao lắm và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của nó trong các lĩnh vực cần điều chỉnh tốc độ có phần bị hạn chế Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng điện áp ra không tốt bằng so với máy điện đồng bộ do đó hầu như người ta không sử dụng làm máy phát.

Động cơ không đồng bộ có 2 loại chính là động cơ không đồng bộ roto dây quấn và động cơ không đồng bộ roto lồng sóc Động cơ roto dây quấn chỉ áp dụng cho tải có công suất lớn và cần điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh tốc độ và

mở máy bằng điện trở phụ) Còn đối với các loại tải trung bình và nhỏ, người

ta thường sử dụng loại động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và mở máy trực tiếp.

a, Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha

Cũng giống như các máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ 3 pha cũng gồm các bộ phận chính sau:

_Phần tĩnh (stato)

_Phần quay (roto)

*Stato:

Gồm có vỏ, lõi thép, dây quấn

_Vỏ máy: Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato Vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để

đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn Các máy có công suất bé thì

thường là vỏ bằng nhôm, còn các máy có công suất lớn và trung bình thì vỏ máy làm bằng gang.

_Lõi thép: Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với nhau ( nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng Mặt trong của lõi thép được dập các rãnh để đặt cuộn dây stato.

_Dây quấn stato: Được quấn thành các mobin, mà cạnh của mobin đó được đặt vào lõi thép stato Các mô bin được cách điện với nhau và cách điện với lõi thép.

*Roto:

Gồm lõi thép, trục máy và dây quấn

_Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình tròn và mặt ngoài các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa được đục lỗ tròn để lồng trục máy Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành hình trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là các rãnh để đặt dây

Trang: 4

quấn roto Thường các các lá thép roto được tận dụng phần bên trong của lá thép stato

_Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto Trục được

đỡ bởi hai ổ bi đặt trên hai nắp máy

_Dây quấn roto có hai loại là dây quấn roto kiểu dây quấn và dây quấn roto kiểu lồng sóc

+ Loại roto kiểu lồng sóc: Dây quấn roto là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ công suất nhỏ, dây quấn roto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vòng ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng , được đặt vào các rãnh roto và được gắn chặt vào vòng ngắn mạch

+Loại roto dây quấn cũng được quấn thành các mô bin như dây quấn stato và

có cùng số cực từ dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có

ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto, cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tì lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở nối

sa nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.

b, Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ, do đó động cơ không đồng bộ còn được gọi là động cơ cảm ứng.

Dây quấn 3 pha của stato đặt lệch nhau trong không gian một góc là 1200 , được cấp dòng điện xoay chiều ba pha lệch nhau về thời gian 1200 điện Lúc

ấy trong máy sẽ hình thành từ trường quay, quay với tốc độ đồng bộ:

nđb=60f/p (v/p)

Trong đó: f_ tần số nguồn điện cấp cho động cơ

p_ số đôi cực từ của động cơ

Từ trường quay của stato quét qua các thanh dẫn roto làm cảm ứng trong các thanh dẫn một suất điện động Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải Vì roto luôn kín mạch nên suất điện động này sẽ tạo ra dòng xoay chiều iR chạy trong dây quấn roto , dòng iR lại tạo ra từ trường trong roto hợp với từ trường quay tạo thành từ trường trong khe hở (giữa roto và stato)

Dòng iR chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường nên bị tác động một lực điện từ có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái Hợp các lực này tạo thành momen quay tác động lên dây quấn roto làm cho roto quay theo chiều của từ trường quay.

Tốc độ của roto luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ của từ trường quay để có sự tác động tương đối giữa các thanh dẫn với từ trường quay stato, nếu như roto quay đến tốc độ đồng bộ thì trong roto sẽ không tồn tại dòng cảm ứng nữa

Do tốc độ của động cơ không bao giờ bằng tốc độ đồng bộ nên gọi là động cơ không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến nhưng các

hệ truyền động điều khiển tốc độ thì ít được sử dụng so với các hệ truyền động một chiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn Tuy nhiên, với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và điện tử tin học thì việc điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

và đồng thời hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với hệ truyền động động cơ một chiều Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, ta có thể tác động vào mạch roto hoặc stato của động cơ Trong thực tế, với các hệ truyền động người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ như sau:

Trang: 6

Điều khiển bằng cách thay đổi điện áp cấp vào stato của động cơ

Điều khiển bằng cách thay đổi điện trở mạch roto

Điều khiển bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp vào stato của động cơ

Điều khiển bằng cách điều chỉnh công suất trượt

Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từng phương pháp cho phù hợp.

1.2 Yêu cầu của công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

Tần số cấp vào động cơ giữ không đổi theo tần số điện áp lưới

Tiết kiệm điện năng

Tiết kiệm năng lượng khi non tải

1.3 Phạm vi ứng dụng

Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu

Động cơ bơm

Động cơ vận hành non tải lâu dài

1.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng bộ khởi động

Bộ khởi động có thể kiểm soát điện dung công suất lớn, giúp khởi động

và ngưng mềm động cơ không đồng bộ ba pha

Thiết bị có tính năng bảo vệ tùy chọn như quá tải, thất thoát pha đầu vào, thất thoát pha đầu ra, xử lý quá dòng, sụt dòng, điện áp quá mức và giảm áp

Bền vững, tiết kiệm không gian lắp đặt

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển và sơ đồ khối

Điều khiển Tiristor trong mạch điều áp hiện nay thường dùng theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Nội dung của phương pháp này như sau:

Khi điện áp xoay chiều hình sin được đặt vào Anot của Tiristor, để có thể điều khiển được góc mở α của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot ta cần tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác gọi là điện áp răng cưa Điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương Anot.

Để điều khiển được góc mở α của Tiristor ta dùng một điện áp điều khiển Uđk so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm Uđk=URC thì phát xung điều khiển Tiristor được mở từ thời điểm phát xung đến cuối bán kỳ ( hoặc tới khi dòng qua Tiristor bằng 0).

Mạch điều khiển Tiristor thường có các khâu cơ bản:

- Khâu đồng pha: ( ĐF) nhằm tạo ra điện áp răng cưa tuyến tính có pha trùng với pha điện áp Anot của Tiristor.

- Khâu so sánh (SS): khâu này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm 2 điện áp này bằng nhau và tại thời điểm đó phát xung đầu ra để chuyển sang tầng khuếch đại.

- Khâu tạo xung –khuếch đại ( TX-KĐ): có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor Xung này phải đảm bảo các yêu cầu như: sườn trước có dốc thẳng đứng đảm bảo Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển ; đủ công suất; xung điều khiển có biên độ, độ rộng xung đủ để mở Tiristor một cách tin cậy trong mọi chế độ làm việc của tải trong toán dải điều chỉnh của hệ Mặt khác để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo Tiristor mở một cách chắc chắn người ta hay phát xung chùm cho các Tiristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại ta đưa thêm một cổng VÀ , với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh và từ bộ phát xung chùm.

Cấu trúc bộ tạo xung như sau:

Như vậy, thiết kế mạch điều khiển cũng đồng nghĩa với việc tính chọn các khâu cơ bản của sơ đồ trên Sau đây ta sẽ đi sâu vào 3 khâu cơ bản đó

3.2 Các khâu cơ bản cần thiết

Nguyên lý: Ở nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, điện thế bazo của tranzitor dương nên tranzitor tr

bị khóa, do đó tụ c được nạp điện qua R1, R2 bởi nguồn 1 chiều khi điện áp nguồn chuyển sang nửa chu kỳ âm thì D1 bị khóa lại, Tr được mở thông và và tụ C phóng điện qua R3 và Tr Để đảm bảo sườn sau của tín hiệu răng cưa có độ dốc lớn thì R3 phải có giá trị nhỏ (để giảm thời gian phóng tf = R3.C ) , người ta nối song song với R3 diod D2 .

0u

Hình 4.2 Sơ đồ khâu đồng pha dùng điôt và tụ

urc

r2tr

d2r1

ut

0r3

Hình 4.3: Sơ đồ dùng tranzitor và tụ

giá trị điện áp răng cưa Urc =

t R R

-Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán(OA).

Nguyên lý : ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng pha, điện áp ra của a 1 có dạng xung dương hình chữ nhật , điốt d được thông có tín hiệu đưa vào khâu tích phân đảo A 2 ở nửa chu kỳ dương của điện áp đồng pha , thì điện áp ra sau A1 là âm do đó điốt D bị khoá , còn T thông và tụ điện c được xả ngắn mạch qua T Ở chu kỳ sau tương tự ta có điện áp tựa hình răng cưa như hình vẽ.

Đặc điểm của sơ đồ dùng OA là gọn nhẹ, dạng xung răng cưa có chất lượng cao, đảm bảo đồng pha với điện áp nguồn, do đó tạo điều kiện mở tiristor một cách chính xác, dễ đối xứng ở các kênh điều khiển Sơ đồ ưu việt hơn hẳn các sơ đồ trên về các chỉ tiêu kỹ thuật do đó ta chọn sơ đồ này khâu đồng pha cho mạch điều khiển

2 Chọn khâu so sánh

Khâu so sánh có chức năng là xác định thời điểm phát xung bằng cách so sánh hai hoặc nhiều tín hiệu theo nguyên tắc: Khi có tín hiệu bằng nhau hoặc tổng đại số các tín hiệu đổi dấu thì khâu so sánh phát ra xung điện áp điều khiển tiristor Ta có thể thực hiện cộng tín hiệu bằng hai phương pháp hoặc nối tiếp hoặc song song Qua nghiên cứu thực nghiệm người ta thấy rằng so sánh nối tiếp có độ chính xác cao hơn, nhưng nhiều kênh điều khiển mà chỉ muốn có một điện áp điều khiển, thì rất có thể

có khả năng nhiễu từ kênh này sang kênh kia Do đó phương pháp này chỉ nên dùng khi điều khiển một tiristor Phương pháp so sánh song song cho độ chính xác không cao bằng nối tiếp nhưng có thể cộng nhiều tín hiệu đồng thời mà không gây nhiễu Các phần tử chủ yếu của khâu so sánh thường dùng tranzitor hoặc OA.

tr

uxd

Hình 4.6: Khâu so sánh dùng tranzitor

Mạch so sánh có nguyên lý làm việc như sau: khi Urc có cực tính cùng chiều Uđk thì D mở và Tr

bị khoá khi Urc đổi chiều và tăng đến giá trị lớn hơn Uđk thì D bị khoá và Tr mở , ta nhận được xung

ra trên cực colector của Tr.

Với mức độ bão hòa của tranzitor phụ thuộc nhiều vào hiệu Urc  Uđk, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho tranzitor làm việc ở chế độ đóng cắt không như ta mong muốn do đó có khi làm cho thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở

b.Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán (OA).

a loại 2 cổng vào b loại 1 cổng vào

Hình 4.7: Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán

Sự thay đổi cực tính điện áp ra xảy ra khi xuất hiện sự cân bằng giữa Urc và Uđk (điện áp so sánh qua trị số 0) Nếu cả điện áp đồng pha và điện áp điều khiển thay đổi cực tính thì đặc tính ra sẽ đảo ngược lại

Mạch so sánh dùng oa có ưu điểm là độ chính xác, độ tác động nhanh cao, khả năng trôi điểm 0 nhỏ, thời gian quá độ ngắn Đây là những ưu điểm nổi bật so với sơ đồ dùng tranzitor.

3 Chọn khâu khuếch đại

Tầng khuếch đại cuối cùng có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor, nó thường thiết kế bằng Tranzitor công suất mắc theo sơ đồ như hình vẽ:

urar1

r2

Để có dạng xung kim gửi tới tiristor, ta dùng biến áp xung (bax), để có thể khuếch đại công suất ta dùng transistor mắc theo sơ đồ darlington Điod bảo vệ transitor và cuộn dây sơ cấp bax khi transistor khoá đột ngột đồng thời xả ngược cho tụ C Tụ C trong sơ đồ này có tác dụng giảm dòng để giảm công suất toả nhiệt cho transistor và giảm kích thước dây bax transistor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong thời gian nạp tụ.

4 Khâu tạo xung chùm

Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo tiristor

mở chắc chắn ta thêm bộ phát xung chùm vào trước tầng khuếch đại tín hiệu từ bộ tạo xung chùm và tín hiệu từ khâu so sánh được đi vào cổng and rồi chuyển sang tầng khuếch đại.

Có nhiều sơ đồ tạo xung chùm, nhưng để đồng dạng về linh kiện với mạch điều khiển ta sử dụng sơ đồ tạo xung chùm bằng khuếch đại thuật toán trong các sơ đồ dùng khuếch đại thì sơ đồ dao động đa hài hình dưới đây có ưu điểm là đơn giản và cho chất lượng xung khá tốt

* Sơ đồ một kênh mạch điều khiển

Mạch điều khiển một pha là sơ đồ có được do ta ghép các khâu cơ bản đã chọn ngoài ra còn

có một số phần phải hiệu chỉnh thêm cho phù hợp với khả năng làm việc của tiristor và phù hợp với điều kiện cấp xung đồng thời cho cả hai tiristor.

Do tiristor làm việc không tin cậy ở xung quanh điểm  = 0 (lúc điện áp đồng pha hình sin đi qua 0), nên ta thêm một điện áp một chiều âm vào để tiristor tránh nhầm lẫn giữa  = 0 và  = 180, điện áp này được đưa vào A1 từ chiết áp VR1

Còn trước khuếch đại thuật toán a3 ta thêm một điện áp dương thông qua chiết áp VR2 nhằm mục đích nâng đường điện áp Uc lên trên trục hoành để so sánh với Uđk có giá trị âm nằm dưới trục hoành.

Hai khuếch đại thuật toán A4 và A5 được mắc thêm vào để đảm bảo cho hai tiristor T1 và T2 không mở đồng thời mà mỗi tiristor chỉ mở trong một nửa chu kỳ của điện áp đồng pha.

Biến áp đồng pha là biến áp có hai cuộn dây bên phía sơ cấp giống hệt nhau để đảm bảo không gây mất đối xứng khi điều khiển hai tiristor.

Sơ đồ một pha được biểu diễn như trên hình 4.10

A

R2R3

Hình 4.9: Mạch tạo xung chùm dùng KĐTT

Trang: 14