Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy không bằngmáy biến áp, thiết bị điều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khảnăng chịu dòng và áp của các dụng cụ bá
Tổng quan đối tượng nghiên cứu
Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha
Máy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến điện từ, trong đó tốc độ quay của rotor (n) khác với tốc độ quay của từ trường (n1) Thiết bị này bao gồm hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) kết nối với lưới điện có tần số không đổi và dây quấn rotor (thứ cấp) Dòng điện trong dây quấn rotor được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng, với tần số phụ thuộc vào rotor và tải trên trục của máy.
Máy điện không đồng bộ, giống như các loại máy điện khác, có tính thuận nghịch, cho phép hoạt động ở cả chế độ động cơ điện và máy phát điện.
Có nhiều tiêu chí để phân loại máy điện không đồng bộ:
1 Theo kết cấu của vở máy, máy điện KĐB chia thành các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ.
2 Theo kết cấu của rotor, máy điện KĐB chia thành hai loại: Loại rotor kiểu dây quấn, loại rotor kiểu lồng sóc.
3 Theo số pha trên dây quấn stator: Một pha, hai pha và ba pha.
*Cấu tạo: hình1.1Cấu tạo động cơ không đồng bộ
- Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Hình 1.2 Stator máy điện không đồng bộ a, Lõi thép:
Lõi thép stator có hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và có các rãnh bên trong, sau đó được ghép lại để tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào vỏ máy.
Dây quấn stator thường được làm từ dây đồng bọc cách điện, được đặt trong các rãnh của lõi thép Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua dây quấn stator, nó sẽ tạo ra một từ trường quay.
Vỏ máy, bao gồm thân và nắp, thường được chế tạo từ gang, có chức năng bảo vệ và cố định các bộ phận bên trong như dây quấn, trục máy và rotor.
- Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. a Lõi thép:
Lõi thép rotor được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện, được lấy từ lõi thép stator và ghép lại với nhau Mặt ngoài của lõi thép rotor có dập rãnh để đặt dây quấn, trong khi ở giữa có dập lỗ để lắp trục.
Trục của máy điện không đồng bộ được chế tạo từ thép và gắn với lõi thép rotor Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai loại chính: rotor ngắn mạch, hay còn gọi là rotor lồng sóc, và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc bao gồm các thanh đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh và kết nối với hai vành ngắn mạch ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối, bao gồm thanh dẫn, vòng ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Trong các động cơ có công suất trên 100kW, thanh dẫn bằng đồng được gắn chặt vào các rãnh rotor và vành ngắn mạch Rotor dây quấn được thiết kế tương tự như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ Dây quấn này luôn được đấu theo kiểu sao (Y) với ba đầu ra kết nối vào ba vành trượt, cách điện với trục quay của rotor Ba chổi than cố định tiếp xúc với vành trượt để dẫn điện vào một biến trở bên ngoài động cơ, phục vụ cho việc khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
Khi áp dụng điện áp xoay chiều ba pha với tần số f1 vào dây quấn stator, dòng điện ba pha sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực với tốc độ n1 = 60f1/p Từ trường này quét qua dây quấn rotor, tạo ra sức điện động cảm ứng Dây quấn rotor khép kín mạch, dẫn đến dòng điện chạy trong các thanh dẫn rotor Lực điện từ do từ trường tác động vào dòng điện trong thanh dẫn khiến rotor quay với tốc độ n, nhỏ hơn n1 Từ trường quay có chiều thuận kim đồng hồ, trong khi thanh dẫn chuyển động ngược chiều kim đồng hồ Theo qui tắc bàn tay phải, chiều sức điện động cảm ứng được xác định, và theo qui tắc bàn tay trái, chiều lực điện từ cũng được xác định Tốc độ rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu bằng nhau sẽ không có sự chuyển động tương đối, dẫn đến không có sức điện động và dòng điện cảm ứng Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor được gọi là tốc độ trượt n2: n2 = n1 – n (vg/ph).
Hệ số trượt của tốc độ là: s = n 1 − n n 1
Tốc độ góc của từ trường quay và rotor được xác định bởi công thức \$\Omega = \Omega_1 - \Omega\$ với \$\Omega_1 = 2\pi n_1\$ và \$\Omega = 2\pi n\$ Khi rotor đứng yên, tốc độ \$n = 0\$ và hệ số trượt \$s = 1\$; khi rotor quay ở định mức, hệ số trượt dao động từ \$s = 0,02\$ đến \$0,05\$ Tốc độ động cơ được tính bằng công thức: \$n = n_1(1-s) = \frac{60f_1}{p}(1-s)\$ vg/ph Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ có thể được mô tả qua phương trình đặc tính cơ: \$\omega = U_{đm}\$.
K Φ đm − R ư + R f ¿¿ a) Dạng đặc tính cơ
Khi thay đổi điệ n trở phụ mach phan ứng ta cổ dang đa c tính cở nhứ hính:
Hình 1.2 Sơ đồ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Trổng trứởng hởp nay tổc đổ khổng tai ly tứởng: ω 0 = U dm
=¿ cổnst Đổ cứng đa c tính cở : β = △ M
Khi lãi suất Rf càng lớn, β càng nhổ ra nghĩa là độ nhạy cảm của tài sản đối với rủi ro càng cao Ứng với Rf = 0, ta có độ nhạy cảm của tài sản tự nhiên: β TN = −¿ ¿ β TN cổ điển, cho thấy giá trị lãi suất lớn nhất nên độ nhạy cảm của tài sản tự nhiên cổ điển giảm khi lãi suất tăng Khi thay đổi lãi suất Rf, ta nhận thấy một sự biến đổi trong độ nhạy cảm, với hình ảnh ứng với lãi suất tại mức cao Nên lãi suất Rf càng lớn, tốc độ giảm của độ nhạy cảm gia tăng, đồng thời dòng điện trong ngân hàng cũng giảm Do đó, người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện vào và điều chỉnh chính sách tài chính nhằm giảm thiểu rủi ro.
1.1.2.b Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
Kết quả phân tích cho thấy điện áp stato U1 ảnh hưởng đến các thông số đầu ra của động cơ, bao gồm dòng điện I1, I2, mômen, tốc độ và đặc tính cơ điều chỉnh Dòng điện động cơ tỷ lệ với điện áp U1, trong khi mômen tỷ lệ với bình phương của U1 Đặc biệt, độ trượt tới hạn không thay đổi khi điều chỉnh điện áp.
Dòng điện ngắn mạch: Inm.U = Inm.U1Mômen ngắn mạch (khởi động): Mnm.U = Mnm.U1 *2
Mômen tới hạn được xác định bởi công thức Mth.U = Mth.U1 * 2, trong khi độ trượt tới hạn Sth là hằng số Ở đây, U1 * = U1/Uđm là giá trị tương đối của điện áp stato, và các thông số Inm, Mnm, Mth phản ánh các đặc tính tự nhiên của động cơ.
Hình 1.6 minh họa cách điều khiển động cơ không đồng bộ bằng điện áp stato, bao gồm sơ đồ nguyên lý và hai họ đặc tính cơ Cụ thể, khi R0 = 0, động cơ rôto lồng sóc thể hiện một họ đặc tính cơ nhất định, trong khi khi R0 ≠ 0, động cơ rôto dây quấn có họ đặc tính cơ khác biệt.
1.1.2.c Điều chỉnh điện trở rôto động cơ không đồng bộ
Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở phụ mạch rôto tương tự như phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng điện trở phụ mạch phần ứng Cả hai phương pháp này đều có sự tương đồng về sơ đồ nối dây, đặc tính, chỉ tiêu chất lượng và ứng dụng.
- Một hệ điều khiển 2 cấp điện trở phụ và họ đặc tính cơ như trên hình 1.1.2b. Theo kết quả phân tích ở phần trên khi Rf thay đổi ta có:
Mômen tới hạn của động cơ: M th = 3 u 1
2 ω 0 x nm = cost Độ trượt tới hạn: s th ≈ R 2t x mn
Tốc độ không tải lý tưởng: (2 f ) / p const 0 ω = π = ; trong đó R2t = R2+Rf điện trở trong mạch rôto.
Hình1.7 Điều khiển động cơ không đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở phụ trong mạch rôto; a) sơ đồ nguyên lý; b) họ đặc tính cơ
- Nếu truyến tính hóa đoạn đặc tính công tác trong phạm vi phụ tải từ 0 ÷ McMđm, ta có biểu thức gần đúng:
M = M m ⅆ s c s trong đó, sc độ trượt tại Mc = Mđm và cũng chính là độ sụt tốc tương đối ∆ ωc * trên đường đặc tính đang xét với Mc = Mđm.
Bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha
Trong BBĐ xoay chiều-xoay chiều, việc sử dụng các van bán dẫn có điều khiển là cần thiết để đảm bảo hoạt động theo yêu cầu Để thực hiện điều này, cần có mạch phát tín hiệu điều khiển cho các van Dù sử dụng sơ đồ với 2 thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ triac, trong một chu kỳ nguồn, cần tạo ra hai tín hiệu điều khiển lệch nhau một góc độ điện.
180 0 tương tự như tín hiệu điều khiển các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha.
Có thể sử dụng mạch phát xung điều cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha để điều khiển BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha, và mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha cũng có thể áp dụng cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều 3 pha Tuy nhiên, sự đối xứng của xung điều khiển các van trong sơ đồ chỉnh lưu là quan trọng nhưng không quá khắt khe Đối với BBĐ xoay chiều-xoay chiều, xung điều khiển của hai van song song ngược trong cùng một pha cần có độ đối xứng cao, đặc biệt khi phụ tải là thiết bị chỉ hoạt động với nguồn xoay chiều như động cơ điện xoay chiều hoặc máy biến áp Nếu góc điều khiển của hai van không giống nhau, sẽ xuất hiện thành phần một chiều trong đường cong điện áp trên tải, dẫn đến dòng một chiều qua tải tăng cao, ảnh hưởng đến hoạt động của phụ tải và BBĐ, làm tăng tổn thất phụ Khi sự không đối xứng vượt quá một giá trị nhất định, BBĐ sẽ không hoạt động.
1.2.2 Các mạch phát xung điều khiển đơn giản1.2.2a Mạch điều khiển dùng dioot-biến trở (D-R)
Trong sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha, mạch điều khiển sử dụng điôt-biến trở, bao gồm hai thyristor động lực T1 và T2 Mạch điều khiển các van của bộ biến đổi điện áp (BBĐ) được cấu thành từ các điôt D1, D2, D3, D4 và các biến trở R1, R2.
- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :
Tiristor có đặc tính V-A cho phép chuyển từ trạng thái khóa sang mở khi có điện áp điều khiển đủ lớn giữa điện cực điều khiển và katôt Giá trị điện áp điều khiển tối thiểu, gọi là \$U_{đkTyc}\$, cần thiết để mở tiristor phụ thuộc vào điện áp giữa anôt và katôt Khi điện áp điều khiển thấp hơn \$U_{đkTyc}\$, tiristor không mở, trong khi khi điện áp điều khiển đạt hoặc vượt qua giá trị này, tiristor sẽ mở Sự thay đổi điện áp giữa anôt và katôt ảnh hưởng đến giá trị \$U_{đkTyc}\$, và khi điện áp này tăng, điện áp điều khiển cần thiết để mở tiristor sẽ giảm Điều này cho thấy mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và điện áp giữa anôt và katôt là rất quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của tiristor.
D2-WR-R1-Rt (đa dạng thiết bị Zt = Rt) sệ cổ mổ t dổng điệ n dổ ngụổ n cụng ca p ta tồ nệ n va dổ ng điệ n a n na y ga y nệ n trệ n R1 mổ t sụ t điệ n a p ma t điệ n a p na y sệ đứ ở c đứa qụa D1 đệ n điệ n a n cứ c điệ n ụ khiệ n cụ c a T1 Va y nệ n bổ qụa sụ t a p trệ n D1 mở thí ta cổ ụ đk T1= ụ R1.
Khi \( \psi > \omega t \geq 0 \), điều kiện \( T_1 < T_{yc} \) và \( T_1 \) chứa mở, tại \( \omega t = \psi \) thì \( T_1 = T_{yc} \), và \( T_1 \) bắt đầu mở, dẫn đến sự gia tăng dân số tại \( \omega t = \pi \) Tại \( \omega t = \pi \), \( u_n = 0 \) và bắt đầu đổi dấu, trong khi \( T_2 \) bắt đầu được điều chỉnh Nếu \( T_2 \) chứa mở, lực này sẽ tác động tại \( (R_t) - D4 - WR - R2 \) dẫn đến sự thay đổi trong điều kiện dân số Sự điều chỉnh áp suất trên \( R2 \) bởi dân số hiện tại sẽ được điều chỉnh qua \( D3 \) dẫn đến điều kiện áp suất trên \( D3 \) mở ra.
Khi R1=R2, nếu ma trận khổang π + ψ > ωt ≥ π thì điều kiện T2 < Tyc dẫn đến T2 vẫn chứa mở, chỗ đệch ωt = π + ψ Nếu điều kiện T2 = Tyc, T2 bắt đầu mở và dãn dỗng chỗ đệch ωt = 2π Trong các chụp kỳ tiếp theo, hệ thống đổ làm việc có thể thay đổi Cả hai van trong hệ thống đổ đệch mở với một giá trị gốc điển hình khiến ψ nhạy nhất Từ nguyên lý hóa hoạt động, nếu kết hợp với đổ thi hình 4-9, ta thấy rằng cổ thể thay đổi gốc điển hình khiến ψ bằng cách thay đổi biến đổ cụ thể của điện áp tính thể biểu thức: ụng.R1/(R1+WR) Đệ thức hiển nhiên người ta thường thay đổi giá trị biến trở WR Với mạch điện này, gốc điển hình khiến tối đa ψmax = π/2 Như vậy, mạch điện này không dùng được chỗ trướng hợp BBĐ làm việc với phụ ta tại thụt cảm, ngay cả những trướng hợp điện cảm lớn thì cũng không nên sử dụng vì lực đổ phạm vi thay đổi cụ thể của gốc điển hình khiến ψ ra rất hẹp.
1.2.3 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi
1.2.4 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi
*Các yêu cầu khởi động động cơ: Đối với một động cơ, công việc mở máy cần đạt được các yêu cầu sau:
- Momentt mở máy càng lớn càng tốt hoặc đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.
- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt.
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng nên đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.
*Các phương pháp mở máy: a/ Phương pháp “Khởi động cứng”:
- Mở máy trực tiếp thông qua các thiết bị đóng cắt như: cầu dao, khởi động từ
Hạ điện áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu là phương pháp hiệu quả giúp giảm dòng khởi động, tuy nhiên cũng làm giảm momen mở máy Trong phương pháp này, bên cao áp được kết nối với lưới điện, trong khi bên hạ áp nối với động cơ Sau một thời gian khởi động, biến áp sẽ được loại ra khỏi mạch điện.
Khi mở máy, điện kháng được kết nối trực tiếp vào mạch điện stator Sau một khoảng thời gian, điện kháng này sẽ được nối ngắn mạch.
+ Ưu điểm: Thiết bị khởi động đơn giản, dễ lắp đặt, giá thành tháp, dễ bảo trì sửa chữa.
Phương pháp "Khởi động mềm" có nhược điểm là chỉ phù hợp với động cơ có công suất nhỏ, khó đồng bộ hóa với hệ thống điều khiển tổng thể Ngoài ra, khả năng đáp ứng của nó chậm và không thể thực hiện dừng mềm khi cần thiết.
- Sử dụng phương pháp Biến tần.
- Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều.
Thiết bị điều khiển nhỏ gọn mang lại khả năng đáp ứng nhanh và đặc tính điều chỉnh trơn, dễ dàng đồng bộ hóa với hệ thống điều khiển toàn diện Nó phù hợp với nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp và có khả năng thực hiện dừng mềm khi cần thiết Với giá thành hiện nay, chi phí lắp đặt hệ thống khởi động mềm không cao, đồng thời có thể sử dụng cho các động cơ công suất lớn.
Nhược điểm của hệ thống là điện áp và dòng điện cung cấp cho tải không còn duy trì hình sin trong dải điều chỉnh Bên cạnh đó, do mạch điều khiển phức tạp, người vận hành cần có kiến thức chuyên môn nhất định Việc kiểm tra và bảo trì cũng trở nên phức tạp hơn.
Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện nay, việc so sánh ưu và nhược điểm của hai phương án khởi động động cơ không đồng bộ là rất quan trọng Dựa trên số liệu của động cơ, đề án này lựa chọn phương án khởi động mềm, cụ thể là phương pháp “Điều áp xoay chiều ba pha” sử dụng 6 thyristor đấu theo kiểu song song ngược Phương pháp này không chỉ phổ biến mà còn có chi phí thấp, đáp ứng tốt yêu cầu khởi động mềm cho động cơ.
Đặt bài toán
Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều 3 pha nhằm điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha với công suất P = 0,75 kW, điện áp định mức Ud = 80 VAC, dòng điện định mức Id = 1,38 A và tốc độ định mức nđm = 00 v/phút.
Tính toán, thiết kế mạch lực……………………………… 2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực
Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch lực
(kW) Điện áp định mức (VAC) Dòng điện định mức (A) Tốc độ định mức (v/phút)
Dòng điện mỗi pha phụ tải:
√ ❑ Điệ n trở pha cụa tai :
Chổn chí tiệụ dổng van dứa vaổ trụ sổ trụng bính (thệổ bang 2.2 –hứởng dan thiệt kệ điệ n tứ cổng sụat) ta cổ:
Va y can chổn thyristổr vởi tri sổ dổng điệ n cở:
I tbmax = 2 I tbvan = 2.0,375 = 0,75 ( A ) Chí tiệụ điệ n ap ( bang 2.2 ) :
Vậy chọn thyristor chịu được điện áp khoảng :
Tứ cac thổng sổ trện ta chổn đứởc van thyristổr ( phụ lục 2 sach thiệt kệ điệ n tứ cổng sụat ) T10-10 vởi thổng sổ :
U n I tb I g U g I r du / dt di / dt t ph 1200
Hính 2.2 thổng sổ thyristổr
Tính toán, lựa chọn các phần tử mạch lực
* Lựa chọn thiết bị bảo vệ
Chổn đổ dứ trứ điệ n ap k u = 1,5, điệ n ap tổi đa chổ phệp đa t lện van khi hổat đổ ng la:
Bảo vệ quá dòng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống điện, đặc biệt khi van đứt được mắc trực tiếp vào lưới điện Để đảm bảo an toàn, cần phải có các thiết bị bảo vệ để ngăn chặn dòng điện quá mức tại vị trí van Tốc độ thay đổi dòng điện (di/dt) sẽ lớn nhất khi dòng điện qua van đạt cực đại Giá trị điện áp lưới ổn định thường dao động trong khoảng ±10%, và giá trị U2 max cần được theo dõi để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Hình 2.3 : mạch bảo vệ dòng thyristor
- Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm La bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristor
Tốc độ tăng dòng phụ thuộc vào điện áp đặt lên van, và chỉ chính xác khi điện áp làm việc trên van nhỏ hơn 67% điện áp tối đa cho phép Trong trường hợp này, điện áp tối đa khi làm việc cần được xác định.
342,2 (v) điện áp tối đa được đặt trên van 1200 (v) có quan hệ là :
Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt= 40 (A/ μ s)
Từ đó ta có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng :
Hinh 2.4: Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor
Hệ số quá áp khi làm việc: K = U ng.maxLV
= 800 342,2 = 2,34 Tra đồ thị 1.22 với k = 2,34 có C* = 0,13; R min = 1,8 ( Ω ) ; R max = 3,9 ( Ω ) Dòng qua tải, cũng chính là dòng qua van, có giá trị tức thời lớn nhất bằng:
- Suy ra tốc độ giảm dòng nhanh nhất khi van khóa lại: di dt max = ω I thy.max = 314.12,997 = 4081,058 ¿)
- Dùng đồ thị hình 1.28 sách hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, ta có điện tích tích lũy trong van là: QEA μs , vậy:
Vì R Σ = R t + R, cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 4