Luận văn tìm hiểu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và ứng dụng trong công nghiệp

18 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH ROTO.... 23 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI SỐ ĐÔI CỰC.... 42 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TÔT NGHIỆP

Đề Tài :

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC

ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ỨNG DỤNG

TRONG CÔNG NGHIỆP

Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN DƯ XỨNG

Sinh viên thực hiện : HUỲNH CÔNG

TRUYỀN MSSV : 97202456

Tp - Hồ Chí Minh Tháng 02 - 2001

MỤC LỤC

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC 1

ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ỨNG DỤNG 1

LỜI CẢM ƠN 4

Em xin chân thành cảm ơn 4

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 6

KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 6

I.CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM 6

CHƯƠNG 2 18

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH ROTO 18

CHƯƠNG 3 23

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI SỐ ĐÔI CỰC 23

NGUYÊN LÝ KHI THAY ĐỔI SỐ ĐÔI CỰC 23

CHƯƠNG 4 34

ĐIỀU CHỈNH 34

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG CUỘN KHÁNG BẢO HÒA 34

I.KHÁI NIỆM VỀ CUỘN KHÁNG BẢO HÒA 34

IV NHẬN XÉT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 41

Nhận Xét 41

CHƯƠNG 5 42

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP 42

I NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH 42

CHƯƠNG 6 48

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ NGUỒN 48

I NGUYÊN LÝ VÀ QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH KHI THAY ĐỔI TẦN SỐ 48

Từ biểu thức: 48

CHƯƠNG 7 56

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỐI TẦNG 56

PHƯƠNG PHÁP NỐI TẦNG DÙNG HỆ THỐNG VAN MÁY ĐIỆN 56

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU TAM KHẢO 61

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM - 1989 61

NGUYỄN DƯ XỨNG 61

Máy Điện - Tập 2 61

Đại Học Bách Khoa - 1981 61

Người dịch: LÊ VĂN D OANH 61

NXB – GD 1993 61

Nhà Xuất Bản Giáo Dục – 2000 62

VŨ QUANG HỒI 62

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn

Thầy NGUYỄN DƯ XỨNG đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ luận án này

Các thầy cô của trường đã đã tạo điều kiện cho em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Các bạn sinh viên lớp 97ĐKC và những bạn khác đã góp phần ý kiến cho đồ án này

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể

thiếu Vì vậy nhiều loại động cơ điện đã được chế tạo và hoàn thiện cao hơn Trong đó động cơ điện không đồng bộ chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó

có nhiều ưu điểm nổi bật như: giá thành thấp, dể sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành thấp,

Ngày nay, do ứng dụng của tiến bộ khoa học kỹ thuật điện tử, sự phát triển của công nghiệp, kỹ thuật tự động hoá và mọi sinh hoạt của nhân dân mà phạm vi

sử dụng động cơ động cơ không đồng bộ rộng rải hơn

Trong thực tế, để đáp ứng yêu cầu sản xuất, làm việc của các nhà máy, phân xưởng với yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ ở một phạm vi nào đó Điều chỉnh tốc độ động cơ là các phương pháp điều chỉnh nhân tạo nhằm thay đổi tốc độ của hệ thống, của cơ cấu sản xuất theo yêu cầu công nghệ

Đề tài này tìm hiểu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ được trình bày như sau: Nguyên lý điều chỉnh, các sơ đồ và ứng dụng trong công nghiệp Cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy NGUYỄN DƯ XỨNG, em đã rút ra được những vấn đề cần sử dụng với các phương pháp điều chỉnh thích hợp và kinh tế

Nội dung tập luận án này gồm bảy chương:

Chương 1: Khái Quát Về Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha

Chương 2: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Điện Trở Phụ Mạch Roto

Chương 3: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi

Số Đôi Cực

Chương 4: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cuộn Kháng Bảo Hòa

Chương 5: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Điện Áp

Chương 6: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Cách Thay Đổi Tần Số

Chương 7: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Phương Pháp Nối Tầng

Trong quá trình tìm hiểu nghiên cứu thực hiện đề tài, em đã cố gắng trình bày các vấn đề về phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Nhưng vì thời gian và giới hạn của luận án tốt nghiệp, phạm vi nghiên cứu tài liệu cùng với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên tập luận án này không tránh khỏi những thiếu sót Mong thầy cô và các bạn đóng góp, giúp đỡ

Qua đề tài luận án này em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn NGUYỄN

DƯ XỨNG và các Thầy cô trong khoa điện cùng các bạn sinh viên đã tận tình giúp đỡ

Tp HỒ CHÍ MINH ngày tháng năm 2001

Sinh viên thực hiện:

HUỲNH CÔNG TRUYỀN

CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I.CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM

I.1 Cấu Tạo

1.Cấu tạo phần tĩnh (stato)

Gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn

a) Vỏ máy:

Thường làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000 kw), thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định và không dùng để dẫn

từ

b) Lỏi sắt:

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm ghép lại Lỏi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lỏi sắt là từ trường xoay chiều, nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ lớp sơn cách điện Mặt trong của lỏi thép có xẻ rảnh để đặt dây quấn

c) Dây quấn :

Dây quấn được đặt vào các rảnh của lỏi sắt và cách điện tốt với lỏi sắt Dây quấn stato gồm có ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o điện

2 Cấu tạo phần quay (Roto)

a) Trục :

Làm bằng thép, dùng để đở lỏi sắt roto

b) Lỏi sắt:

Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stato Lỏi sắt được ép trực tiếp lên trục Bên ngoài lỏi sắt có xẻ rảnh để đặt dây quấn

c) Dây quấn roto:

Gồm hai loại: Loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc

• Loại roto kiểu dây quấn : Dây quấn roto giống dây quấn ở stato và có số cực

bằng số cực stato Các động cơ công suất trung trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp để giảm được những đầu nối dây và kết cấu dây quấn roto chặt chẽ hơn Các động cơ công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao (Y) Ba đầu kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục Thông qua chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính năng

mở máy và điều chỉnh tốc độ

• Loại roto kiểu lồng sóc: Loại dây quấn này khác với dây quấn stato Mỗi

rảnh của lỏi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng, người ta gọi đó là lồng sóc

Dây quấn roto kiểu lồng sóc không cần cách điện với lỏi sắt

3 Khe hở:

Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm) Do đó roto là một khối tròn nên roto rất đều

I.2 Đặc Điểm Của Động Cơ Không Đồng Bộ

- Cấu tạo đơn giản

- Đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha

- Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stato n < n1

Trong đó:

n tốc độ quay của roto

n1 tốc độ quay từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ của động cơ )

II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E2 sẽ sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay phải

n1

M

Hình.1-1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ

Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía trên roto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nữa phía dưới roto hướng từ ngoài vào trong Dòng điện I2 tác động tương hổ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn roto và mômen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường

Tốc độ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n1 Có sự chuyển động tương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện

I2 và mômen M Vì tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ

Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt:

Trong đó:

n là tốc độ quay của roto

f1 tần số dòng điện lưới

P số đôi cực

n1 tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ đồng bộ của động cơ)

Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n1 thay đổi làm cho n thay đổi

Khi mở máy thì n = 0 và S = 1 gọi là độ trượt mở máy

Dòng điện trong dây quấn và tư trường quay tác dụng lực tương hổ lên nhau nên khi roto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịu tác dụng của mômen M theo chiều ngược lại Muốn cho từ trường quay với tốc độ

n1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ

Khi đó công suất điện đưa vào:

p

f

n1= 60 1

60

2

M

ϕ

cos 3

P =

1

1

n

n n

(1-1)

(1-2)

(1-3)

(1-4)

Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên điện trở dây quấn stato

Tổn hao sắt:

Công suất cơ ở trục là:

Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn roto:

Trong đó:

m2 số pha của dây quấn roto

Vì p’2 < pđt do đó n < n1

Công suất cơ của p2 đưa ra nhỏ hơn p’2 vì còn tổn hao do ma sát trên trục động

cơ và tổn hao phụ khác:

Hiệu suất của động cơ:

III CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ

1 Các Đại Lượng

a) Hệ số trượt:

Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của roto n và tốc độ của từ trường quay stato n1

Ta có :

Hay tính theo phần trăm:

2 2

P d = Δ

st

st P P

P P

P

Pñt = 1− Δ ñt − Δ

Δ

= Δ

60

2

M M

2

Δ Pd

−

P

2 2 2

P d = Δ

f

cô p P

P

) 9 , 0 8 , 0 (

1

2

÷

=

=

P

P

η

(1-5)

(1-6)

(1-8)

(1-9)

(1-10)

(1-11)

Xét về mặt lý thuyết giá trị S sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100 o/o Trong đĩ :

b) Sức điện động của mạch roto lúc đứng yên

Trong đĩ:

K2 là hệ số dây quấn roto của động cơ

f20 tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thơng quay qua cuộn dây, vì roto đứng yên nên:

f20 bằng với tần số dịng điện đưa vào f1

c) Khi roto quay:

Tần số trong dây quấn roto là:

Vậy f2s = s.f1

Sức điện động trên dây quấn roto lúc đĩ là:

o o

n

n n

1

1−

=

) 1 (

60

1

1 1

s n n

p

f n

−

=

=

m W f K

từ mạch trong thông từ của đạïi

cực

số

trị

m

φ

60

1

20 pn

60 60

)

1

1 1

n

n n p n n

m K W f

(1-13)

(1-14) (1-15)

(1-16)

(1-17)

(1-18) (1-19)

(1-20)

Với f2s = s.f1 thế vào (1-19), ta được:

2.Phương Trình Cơ Bản Của Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha

a) Sơ đồ đẳng trị một pha

Hình 1-2

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Sơ đồ đẳng trị một pha của động cơ không đồng bộ

Trong đó:

U1 điện áp pha đặt lên cuộn stato

x1, r1, I1 là điện kháng , điện trở, dòng điện của mạch từ hóa

x’2, r’2, I’2 là điện kháng, điện trở, dòng điện pha của cuộn dây roto qui đổi về stato

I’2 = KI I2

Với KI = 1/KE , là hệ số biến đổi dòng điện

KE = U1đm/E2đm

U1đm Điện áp định mức đặt lên stato

E2đm Sức điện động định mức của roto

S K

W f

E 2s = 4 , 44 1 2 2Φm (1-21)

(1-22)

(1-23)

Io↓

xo

ro

r1

I1→ I2→

r’2/s o

o

U1

•

• o

rf ĐKB

o

o U1~

I1↓

I2↓ •

•

• •

r’2 = kr r2

x’2 = kx x2 , với kx = kr = k2E

S là độ trượt của động cơ

Trong đó:

n tốc độ quay của roto động cơ

n = n1(1-S)

n1 tốc độ quay đồng bộ của động

a) Phương trình đặc tính tốc độ

Theo sơ đồ đẳng trị một pha như hình (1-2), ta có biểu thức dòng điện roto đã qui đổi về stato

Khi tốc độ động cơ n = 0 , theo (1-26) ta có s =1

Nếu điện áp đặt lên cuộn stato U1 = const thì biểu thức (1 –29) chính là quan hệ giữa dòng điện roto đã qui đổi về stato I’2 với độ S hay với tốc độ n

Do đó biểu thức (1-29) chính là phương trình đặc tính tốc độ

b) Phương trình đặc tính cơ

Công suất điện từ của động cơ

Mặt khác:

1

1

n

n n

=

p

f

n1= 60 1

2 2 1 2 2 1

1 2

) ' (

) ' (

'

x x S

r r

U I

+ + +

=

s

r I

' 3

=

ñt

(1-25)

(1-26)

(1-27)

(1-28)

(1-29)

(1-30)

(1-31)

Do đĩ:

Mđt mơmen điện từ gồm hai phần :

Phần nhỏ tổn thất trên cuộn dây và tổn thất cơ do ma sát ở các ổ bi, ký hiệu ΔM Phần lớn biến thành mơmen quay của động cơ M

Vậy Mđt ~ M

Khi đĩ :

Thay I’2 từ (1-26) vào (1-34), ta được

Biểu thức (1-35) chính là phương trình đặc tính cơ Được biểu diễn quan hệ M

= f(n) như hình 1-3

Giá trị S sẽ biến thiên từ - ∞ đến + ∞ và mơmen quay sẽ cĩ hai giá trị cực đại gọi là mơmen tới hạn (Mt)

Lấy đạo hàm của mơmen theo hệ số trượt và cho dM/ds = 0

Ta cĩ hệ số trượt tương ứng với mơmen tới hạn Mt gọi là hệ số trượt tới hạn

55 , 9

1

n M

55 , 9

' 2 ' 3 1

2

s n

r I

Mđt =

M M

Mđt = +Δ

M qua bỏ thể có

55 , 9

' ' 3 1

2 2

s n

r I M t

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

+ +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

2 2 1

2 2 1 1

2 1

'

' 55

, 9

' 3

x x s

r r

s n

r U M

(1-32)

(1-33)

(1-34)

(1-35)

Do đó ta được biểu thức mômen tới hạn :

Giải các phương trình (1-35), (1-36), (1-37) và đặt :

Ta được dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ:

Hình 1-3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Nhận thấy dạng gần đúng của phương trình đặc tính cơ như sau:

Đối với động cơ roto lồng sóc, nhất là các động cơ có công suất lớn thì

r1 << xn, nên có thể bỏ qua r1 và ε = 0

Ta có:

) (

55 , 9 2

3

2 2 1

1

2

n

t

x r r n

U M

+ +

±

±

=

n

x r

r

2 2 2

' +

= ε

ε

ε

2

1 2 + +

+

=

s

s s s

M M

t t t

ε

S

S S S

Mt M

t t

+

= 2

(1-37)

(1-38)

(1-39)

(1-40)

s = 0

M

Mt

Mđm

St

n

n1

nđm +s

n= 0 -n +s

Với :

Nhận xét: Từ các biểu thức (1-36) và (1-37), ta thấy đối với động cơ xác lập nếu

U1 thay đổi thì St = const và Mt thay đổi tỉ lệ với U12 Khi thay đổi điện trở mạch roto bằng cách thêm điện trở phụ (đối với động cơ không đồng bộ roto quấn dây) thì:

Mt = const và St tỉ lệ với r’2

Khi xét đến điện trở trên mạch stato r1 thì mômen tới hạn Mt sẽ có hai giá trị khác nhau và ứng với hai trạng thái làm việc của động cơ

* S = 0 , n1 < n là trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát

* S > 0 , n1 > n trạng thái làm việc của động cơ

n x n

U Mt

55 , 9 2

3 1

2

=

n

t

x

r

2 2

2

'

'

n

tF

x r

r S

+

−

=

) (

55 , 9 2

3

2 2 1

1

1

n

tF

x r r n

U M

+ +

−

=

2 2 1

2

'

n

x r

r s

+

=

tñ

) (

55 , 9 2

3

2 2

1 1

2

n

x r

r n

U M

+ +

= tñ

(1-41)

(1-42)

(1-43) (1-44)

(1-45)

(1-46)

Ta cĩ tỉ số :

Trong đĩ:

Mđm : Nm

Pđm : Kw

nđm : Vịng/phút

Độ trượt tới hạn của động cơ được xác định như sau:

Ở trạng thái định mức của động cơ:

n = nđm , S = Sđm , M = Mđm

Phương trình đặc tính tại điểm định mức:

Do đĩ:

Thường đối với động cơ thì r1 = r’2, nên:

tđ tF tđ

tF

r

đm

t M

M

M

= λ

cơ động của mức định mômen

với so nhất lớn mômen

sinh năng khả ra chỉ mômen,

về tải quá số bội là

M

λ Mt = λM Mđm

ε

ε

2 S

S S

M

t

đm đm

t

t đm

+ +

+

=

) 2(1

2 S

S S

S

t

đm đm

t M

ε

ε λ

+

+

+

=

) 2(1

2s s

s s

s

t t

đm đm

t M

ε

λ

+

+

+

=

(1-47)

(1-48)

(1-48a)

(1-49) (1-50)

(1-51)

đm

đm đm

n 9500P

M =