Đề Tài Tính Toán Và Thiết Kế Truyền Động Cho Cơ Cấu Nâng Hạ Cầu Trục Sử Dụng Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha.docx

Như vậy, khi biết trước tần số nguồn lưới là f thì xác định đượctốc độ đồng bộ ns như bảng sau: Từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dẫn rotor sức điện động E2làm sinh ra dòng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bộ môn điện tử công nghiệp

GVHD: NGUYỄN PHAN THANH

Nhóm SVTH: MSSV

Bùi Quang Hoàng Quyên 19142366

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

 Yêu cầu tính toán và thiết kế như sau:

Động cơ mở máy với 3 cấp điện trở phụ, tính các điện trở phụ thêm vàomạch rotor với:

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1

1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ 3 pha 1

1.2 Nguyên lý hoạt động 2

1.3 Các thông số ảnh hưởng đến dạng đặc tính cơ 8

1.3.1 Ảnh hưởng của điện áp: 8

1.3.2 Ảnh hưởng của điện trở hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch Stator: 9

1.3.3 Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor: 10

1.3.4 Ảnh hưởng của số đôi cực từ p: 11

1.3.5 Ảnh hưởng của tần số: 13

1.4 Mở máy và tính điện trở mở máy 14

1.5 Hãm máy 16

1.5.1 Hãm tái sinh: 16

1.5.2 Hãm ngược: 18

1.5.3 Hãm động năng: 20

1.6 Đặc tính cơ khi đảo chiều quay động cơ 21

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 23

2.1 Các thông số của động cơ 23

2.2 Tính toán các thông số động cơ không đồng bộ ba pha 24

2.3 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 28

2.4 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 30

2.4.1 Nâng tải với tốc độ n=1/2n đm 30

2.4.2 Nâng tải với tốc độ n=1/3 n đm 31

2.4.3 Nâng tải với tốc độ n=2/3n đm 33

2.5 Xác định điện trở phụ thêm và mạch rotor để hạ tải với các cấp độ: n=1/2 n đm , n=1/3 n đm , n=2/3 n đm 34

2.5.1 Hạ tải với tốc độ n=1/2n đm 35

2.5.3 Hạ tải với tốc độ n=2/3n đm 37

2.6 Thiết kế hệ thống cầu trục nâng hạ tải dùng động cơ AC không đồng bộ ba pha 39

CHƯƠNG 3: NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ 40

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ điện tiêu thụ khoảng 65% tổng năng lượng điện, tiêu thụ khoảng75% tổng năng lượng điện trong công nghiệp và máy điện không đồng bộchiếm hơn 90% trong số đó Lý do máy điện không đồng bộ được sử dụng phổbiến là vì tính mạnh mẽ, tin cậy, bền bỉ, dễ bảo trì và tương đối rẻ, kích thướcgọn nhẹ hơn so với động cơ một chiều cùng công suất

Về mặt cấu tạo, động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo khá đơn giảngồm stator và rotor Trên lõi thép stator có đặt 3 dây quấn lệch nhau 1200 trongkhông gian Rotor có 2 loại:

Rotor dây quấn gồm 3 dây quấn đặt lệch nhau 1200 trong không gian vàthường được nối sao, đưa 3 đầu dây ra bên ngoài nhờ hệ thống vành trượt vàchổi than, khi làm việc, dây quấn rotor phải được nối kín mạch

Rotor lồng sóc (phổ biến hơn vì có nhiều ưu điểm) gồm có lõi thép hìnhtrụ bên ngoài có xẻ rãnh để đặt các thanh dẫn và được nối ngắn mạch lại giốngnhư lồng sóc

Hình 1-1 Stator và rotor lồng sóc 1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi cấp nguồn xoay chiều 3 pha vào dây quấn stator, trong stator sinh ra từthông 3 pha Từ thông 3 pha này tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ns Tốc

độ đồng bộ được xác định như sau:

ns = 60∗f p [vg/ph]

Với f [Hz] là tần số nguồn điện 3 pha, p là số đôi cực từ tùy thuộc kết cấu dâyquấn của động cơ Như vậy, khi biết trước tần số nguồn lưới là f thì xác định đượctốc độ đồng bộ ns như bảng sau:

Từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dẫn rotor sức điện động E2làm sinh ra dòng điện trong thanh dẫn rotor, và làm rotor quay cùng chiều từtrường quay nhưng với tốc độ |n| < |ns| (chế độ động cơ) nên gọi động cơ khôngđồng bộ Vì vậy, ở điểm làm việc định mức có tốc độ định mức gần bằng tốc độđồng bộ Khi đó, dòng điện rotor cũng cảm ứng lên stator sức điện động E1

Hay: n = ns(1- s);  = s (1 – s);

Trong đó:

 = 2π∗n60 [rad/s]; s = 2π∗ns60 [rad/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 đếnđảo chiều quay của động cơ

* Quy đổi sang sơ đồ một pha

Hình 1-2 Mạch tương đương 1 pha của stator

Ở trạng thái rotor đứng yên, ta có thể xem động cơ như là một máy biến ápcách ly Tổng trở mạch rotor bao gồm R2 và X2, N2 là số vòng dây quấn rotor E2 làsức điện động khi rotor đứng yên:

f = ns−n ns → fr = s*f

Và điện kháng mạch rotor là:

Xr = 2π*fr*L2 = 2π*s*f *L2 = s*X2 Với L2 là điện cảm dây quấn rotor và X2 là điện kháng dây quấn rotor khirotor đứng yên Nên dòng điện rotor tại tốc độ n là:

Ir = s∗E2

R2+ js X2

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

Hình 1-4 Mạch tương đương 1 pha khi phân tách điện trở rotor

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 bằngcông suất động cơ

Công suất điện từ chuyển từ Stator sang Rotor

P đt =M đt × ω s

Trong đó:

Mđt :moment điện từ động cơ

P đ t =P c ơ + Δ P f + Δ P cu2 Nếu tổn hao phụ không đáng kể Δ P f = 0 thì Mđt = Mcơ =M

→ P đ t =P c ơ + Δ P cu2

⇔ M ω =M ω+3 P ' I ' 2

Thay I2'vào ta được:

Đường biểu diễn của phương trình đặc tính cơ có dạng đường cong nên toạ độđiểm cực trị được xác định bằng cách giải phương trình dM ds =0ta được độ trượt tớihạn:

Hình 1-7 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha 1.3 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:

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

Và độ trượt tới hạn s max= R2'

[ √R12+ X eq2] cũng không thay đổi.

Mmax nói lên khả năng quá tải của động cơ

Moment mở máy (Mmm = K2.V2) giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ suy giảmcủa 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 thì tốc độ đồng bộ ns không đổi, trượt tớihạn Smax giảm, moment tới hạn Mmax giảm và moment mở máy Mmm cũng giảm

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 ta thấy tốc độđồng bộ ns không đổi, độ trượt tới hạn giảm (nhưng vẫn còn lớn hơn khi thêm Rf),moment mở máy Mmm giảm (bằng với khi thêm Rf).

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

Ta thấy khi thêm Xf thì tăng được khả năng quá tải của động cơ (Mmax nói lênkhả năng quá tải của động cơ)

Đặc tính cơ khi thêm Rf và Xf có dạng:

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.

Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thayđổi được điện trở mạch rotor Việc thay đổi chỉ sử dụng đối với động cơ khôngđồng bộ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngoài qua hệ vòngtrượt – chổi than

L1

Dễ thấy, điện trở mạch rotor R2, do đó điện trở quy đổi R2' chỉ có thể thay đổi

về phía tăng Khi R2' tăng thì độ trượt tới hạn tăng, còn tốc độ đồng bộ và mômenttới hạn giữ nguyên

n (vg/ph)

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:

Ta có: n=n s(1−s)= 60f

p (1−s)

Khi tăng (giảm) số đôi cực từ p thì tốc độ đồng bộ ns giảm (tăng) nên tốc độquay của Rotor giảm(tăng) Còn Smax không phụ thuộc vào p nên không thay đổi,nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên Nhưng khi thay đổi số đôi cực từ

sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở Stator động cơ nên một số thông số như R1, X1 cóthể thay đổi và do đó tuỳ trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến moment tới hạn

Mmax của động cơ

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

n02

P=2

P=1

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

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 f1 giảm xuống dưới fđm thì tổng trở các cuộn dây giản nên nếu giữnguyên điện áp cấp Uđm thì dòng điện động cơ sẽ tăng, đốt nóng động cơ quámức

Như vậy Mmax sẽ giữ không đổi ở vùng f1<f (như hình) Ở vùng f1>f1đm thìkhông thể tăng điện áp nguốn cấp mà giữ U1=U1đm nên ở vùng này Mmax sẽ giảm tỉ

lệ nghịch với bình phương tần số (U 1P

f =const)

1.4 Mở máy và tính điện trở mở máy

Đối với động cơ Rotor dây quấn để hạn chế dòng khởi động, tăng momentkhởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch Rotor trong quá trình khởi động sau

đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp

Khi đóng điện trực tiếp vào stator động cơ không đồng bộ thì thoạt đầu dorotor chưa quay, độ trượt lớn (s=1) nên sức điện động cảm ứng và dòng điện cảmứng lớn Dòng điện này có giá trị đặc biệt lớn ở các loại động cơ công suất trungbình và công suất lớn

Imm= (5 ÷ 8)Iđm

Mmm= (0,5 ÷ 1,5)Mđm

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

của tia mở máy)

Từ g dựng đường thẳng song song với trục hoành cắt II tại f, nối t và f kéo dàicắt 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

S TN )

Trên đường số (1) ta có: R f I =R2(je− jg

jg )=R2(eg

jg)Trên đường số 2 ta có: R f II =R2(jc− jg

jg )=R2(cg

jg)Tương tự trên đường số 3: R f III =R2(ja− jg

jg )=R2(ag

jg)

1.5 Hãm máy

1.5.1 Hãm tái sinh:

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ n > n0 Lúc này động cơ máy phát điện trả điệnnăng về lưới điện và tạo ra moment hãm ngược chiều với chiều mà dòng điện đangquay Vì tốc độ hãm lớn nên hãm tái sinh không dùng để hãm dừng mà chỉ dùngtrong trường hợp hãm ghìm

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

⇒ Đoạn Bn02 là đoạn hãm tái sinh

 Đoạn n02C:

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

 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.

1.5.2 Hãm ngược:

Giống như động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của động

cơ không đồng bộ cũng có hai cách:

 Cách 1: Động cơ đang quay thuận thì tiến hành đảo thứ tự 2 trong 3 pha

nguồn đưa vào động cơ thì hãm ngược xảy ra ở góc phần tư thứ hai

Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đặc tính cơ 1 sang B trên đặc tính cơvới cùng tốc độ ω E (do quán tính cơ) Quá trình hãm nối ngược bắt đầu Khi tốc độđộng cơ giảm theo đặc tính 2 tới điểm D thì ω E lúc này nếu cắt điện thì động cơ sẽdừng Đoạn hãm ngược (MĐ<0,ω E) là BD Nếu không cắt điện khi ω Ethì MĐ>MCnên bắt đầu tămg tốc, mở máy quay ngựơc lại theo đặc tính 2 và làm việc ổn địnhtại E với tốc độ ω E theo chiều ngược lại

Khi động cơ hãm nối ngược theo đặc tính 2, điểm B ứng với moment âm trị

số nhỏ nên tác dụng hãm không hiệu quả Thực tế phải tăng cường moment hãmban đầu

1

1

0 CI U

X  p

Tới điểm L thì I d=√3⥂ I p Lúc này nếu cắt điện động cơ sẽ dừng Nếu khôngcắt điện động cơ sẽ quay theo chiều ngược tới điểm N Lúc này nếu lại cắt điện trởphụ thì động cơ sẽ chuyển điểm làm việc sang đặc tính cơ 2 và tăng tốc tiếp tớiđiểm E.

Trường hợp Rp quá lớn ,động cơ có đặc tính 3 khi hãm nối ngược thì quá trìnhhãm kết thúc tại điểm I.Động cơ không thể tăng tốc chạy ngược vì I d=√3⥂ I p

 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 cơcấu nâng – hạ tải Để dừng và hạ vật xuống, động cơ được nối thêm điện trở phụvào mạch phần ứng nhờ mở cáctiếp điểm K (công tắc tơ K thôi tác động ) Đặc tính

cơ tương ứng là đường rất dốc

Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đường 1 sang B trên đường 2 với tốc

độ ω A Lúc này Moment động cơ MĐ=MB<MC nên động cơ giảm tốc độ vật vẫnđược nâng lên với tốc độ nhỏ dần điểm làm việc của động cơ dịch từ B xuống Dtheo đặc tính 2 Tới D thì ω=0và vật dừng lại Do tải trọng gây moment MC>MĐnên vật bắt đầu tụt xuống Chiều quay đảo lại .Động cơ vẫn sinh momentdương ,nhưng vì MĐ<MC nên vật vẫn tiếp tục tụt xuống và lúc này động cơ làmviệc ở trạng thái hãm ngược Đặc tính hãm ngược nằm ở góc phần tư thứ IV Điểmlàm việc khi hãm của động cơ dịch chuyển theo đặc tính hãm từ D tới E

Tại E thì MĐ=ME=MC và động cơ quay đều, hãm ghìm vật để hạ vật xuốngđều với tốc độ ω E

Ởchế độ này động cơ làm việc ở chế độ máy phát.

Hình 1-22 Đặc tính hãm ngược bằng phương pháp thêm điện trở phụ

vào mạch Rotor.

1.5.3 Hãm động năng:

 Hãm động năng kích từ độc lập:

Để hãm động năng kích từ độc lập một động cơ không đồng bộ đang làm việc

ở chế độ đông cơ, ta phải cắt stator ra khỏi lưới điện xoay chiều (mở các tiếp điểmk) cấp vào stator dòng điện một chiều để kích từ (đóng các tiếp điểm H) Thay đổidòng kích từ nhờ Rkt (như hình vẽ 3.20)

Giả sử trước khi hãm, động cơ làm việc tại A trên đặc tính cơ 1, thì khi hãmđộng năng, động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đặc tính hãm động năng

2 ở góc phần tư thứ II

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

1.6 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

3 pha điện áp đưa vào stator Khi đó, chiều từ trường quay ns sẽ bị đảo và dẫn đếnđảo chiều quay của động cơ, tốc độ từ trường quay n s sẽ bị đảo chiều Khi đó, tốc độ đồng bộ góc  s cũng bị đảo dấu và điểm làm việc sẽ xác lập tại điểm E Vì vậy, khi tính toán ta phải thêm dấu trừ trước ns và  s

Khi đảo thứ tự 2 trong 3 pha điện áp stator, tốc độ từ trường quay ns sẽ bị đảochiều Khi đó, tốc độ đồng bộ góc s cũng bị đảo dấu và điểm làm việc ban đầu tạiđiểm B, trên hình 3.24, sau đó xác lập tại điểm D Dòng điện tại điểm D sẽ như tạiđiểm A và tốc độ tại D sẽ ngược dấu với tại A.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG ĐỘNG

CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 Các thông số của động cơ

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 rotorCosφ: 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 rotorη: hiệu suất

λM: hệ số năng lực quá tải (tỉ số giữa momen Mmax và Mđm)

2.2 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 địnhmức:

Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện không đồng bộ ba pha

ta cần tính toán ra các thông số hệ số trượt (s), tốc độ góc (ws), điện trở rotor quyđổi về stator (R2,), điện kháng ngắn mạch (X eq) để từ đó tính toán momen Mmm,

√ 1 eq √

nđc = ns.(1 – smax) = 750.(1 – 0,179) = 616 (v/p)Thay smax = 0,179 và sđm = 0,073 thay vào phương trình (*), ta được:

λM=1

2.(0,07 3 0,179+0,1790,07 3)= 1,43

Moment tới hạn của động cơ:

Mmax = λM.Mđm = 1,43 755,755 = 1080,73 (N.m)

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

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