Thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ và dòng điện động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp stato

Sở dĩ như vậy là do động cơkhông đồng bộ có nhiều ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác như cấutạo, vận hành đơn giản, giá thành hạ, kết cấu chắc chắn… Nhưng nhượcđiểm lớn nhất của đ

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất phổ biến trong côngnghiệp cũng như trong đời sống nhân dân Sở dĩ như vậy là do động cơkhông đồng bộ có nhiều ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác như cấutạo, vận hành đơn giản, giá thành hạ, kết cấu chắc chắn… Nhưng nhượcđiểm lớn nhất của động cơ này là việc điều khiển tốc độ rất khó khăn vàđặc tính điều chỉnh không được như ý muốn Do nhược điểm này mà trongthời gian trước đây, người ta ít khi sử dụng các hệ truyền động điều chỉnhtốc độ động cơ không đồng bộ mà chủ yếu dùng các hệ truyền động mộtchiều

Trước thực tế đó, cùng với sự phát triển của ngành điện tử bán dẫncông suất, các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồngbộ đã ra đời và trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với các hệtruyền động động cơ một chiều

Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ dựa vào việc ứng dụngcác thiết bị điện tử công suất, nhưng trong đồ án này chỉ đưa ra xem xét hệtruyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sócbằng bộ điều chỉnh pha

Nội dung gồm 5 chương:

- Chương mở đầu: Tổng quan về động cơ không đồng bộ

- Chương I: Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

- Chương II: Phương pháp điều khiển bằng cách thay đổi điện áp stato

- Chương III: Tính toán các số liệu, đặc tính của động cơ

- Chương IV: Lập sơ đồ và tính toán bộ điều chỉnh pha

- Chương V: Thiết kế sơ đồ điều khiển tự động dòng điện và tốc độ động cơ.

Sau một thời gian làm việc dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS-TS

Bùi Đình Tiếu Em đã hoàn thành đồ án của mình nhưng vì khả năng và

thời gian có hạn nên chắc vẫn có nhiều sai sót nhất định Em mong đượcsự chỉ bảo thêm của các thầy cô trong khoa điện và bộ môn thiết bị điện –điện tử Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô rất nhiều

Sinh viên:

Đặng Thanh Thư

MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I Vài nét về động cơ không đồng bộ:

Máy điện KĐB 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 thànhhạ nên động cơ KĐB là loại động cơ được dùng rộng rãi nhất trong cácngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài đến vài chục Kw

Trong công nghiệp, thường dùng máy điện không đồng bộ làmnguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máycông cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ … Trong hầm mỏ thường dùng làmmáy tời hay quạt gió, trong nông nghiệp thường dùng làm máy bơm nướchay các máy gia công nông sản Trong đời sống hàng ngày, máy điện KĐBcũng chiếm một vị trí quan trọng như: Quạt gió, máy quay đĩa, động cơtrong tủ lạnh …, Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khíhóa, tự động hóa và các phương tiện sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứngdụng của máy điện KĐB ngày càng rộng rãi

Tuy vậy động cơ điện KĐB cũng có những nhược điểm như là hệ sốcos của máy thường không cao lắm và đặc tính điều chỉnh tốc độ khôngtốt, nên ứng dụng của nó trong các lĩnh vực cần điều chỉnh tốt độ có phần

bị hạn chế

Máy điện không đồng bộ cũng có thể dùng làm máy phát điện nhưngđiện áp ra không tốt bằng so với máy điện đồng bộ do đó hầu như người takhông sử dụng để làm máy phát

Động cơ không đồng bộ có hai loại chính là động cơ roto lồng sóc vàđộng cơ roto dây quấn Động cơ roto dây quấn chỉ áp dụng cho tải có côngsuất lớn và cần điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh tốc độ và mở máy bằng điệntrở phụ) Còn đối với các loại tải trung bình và nhỏ, người ta thường sửdụng loại động cơ roto lồng sóc và mở máy trực tiếp

II Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha:

Động cơ KĐB ba pha hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điệntừ, do đó động cơ KĐB còn được gọi là động cơ cảm ứng

Dây quấn ba pha của stator đặt lệch nhau trong không gian 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 là tần số nguồn điện cấp cho động cơ

- p là số đôi cực từ của động cơ

Từ trường quay của stato quét qua các thanh dẫn roto làm cảm ứngtrong các thanh dẫn một sức điện động theo định luật cảm ứng điện từ Sứcđiện động này có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải Vì Rotoluôn kín mạch nên sức điện động này sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều iRchạy trong dây quấn Roto, dòng iR lại tạo ra từ trường trong Roto hợp vớitừ 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 tácđộng một lực điện từ có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái Hợpcác lực này tạo thành Momen quay tác động lên dây quấn Roto làm choroto quay theo chiều của từ trường

Tốc độ của Roto luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ của từ trường quay đểcó sự tác động tương đối giữa các thanh dẫn với từ trường quay stato, nếunhư roto quay đến tốc độ đồng bộ thì trong roto sẽ không tồn tại dòng cảmứng nữa do đó sẽ không còn momen quay nữa Do tốc độ của động cơkhông bao giờ bằng được tốc độ đồng bộ nên gọi là động cơ không đồngbộ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 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 cáchệ truyền động một chiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khănhơn Tuy nhiên, với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và điện tử tinhọc thì việc điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ trở nên dễ dànghơn rất nhiều và đồng thời hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơkhông đồng bộ trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với hệ truyềnđộng động cơ một chiều Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, tacó thể tác động vào mạch roto hoặc mạch stato của động cơ Trong thực tế,với các hệ truyền động người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốcđộ động cơ không đồng bộ như sau:

Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện áp cấp vào statocủa động cơ

Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch rotoĐiều khiển bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp vàostato của động cơ

Điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh công suất trượt.Tuỳ vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từngphương pháp cho thích hợp Sau đây là phần trình bày về cơ bản của cácphương pháp đã nêu

I Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:

1.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

cơ chưa kịp thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi Do đó, khi thay đổiđiện áp cấp cho động cơ thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi.

M  U2 suy ra : Mth  U2 và Mnm  U2

Trong khi đó:

Sth  R2 Mà : R2 = const nên Sth = const

Để thay đổi điện áp cấp vào stato của động cơ, ta có thể sử dụng máybiến áp hoặc cuộn kháng đặt vào stator hoặc đổi nối Y -  hoặc dùng cácbộ điều áp bằng Tiristor Đối với các hệ truyền động động cơ roto lồngsóc, người ta thường sử dụng các bộ điều áp để thay đổi cả dòng điện vàđiện áp mà không làm thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ và hạn chếdòng mở máy bằng phương pháp giảm điện áp khi khởi động

Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp :

Hình 1.2 :Đặc tính của điều chỉnh tốc độ bằng cách

thay đổi điện áp vào Stator

2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp :

Để thay đổi tốc độ bằng cách tác động vào stato của động cơ ngoàiphương pháp thay đổi điện áp nguồn cấp ta còn có thể sử dụng phươngpháp thay đổi tần số nguồn cấp vào động cơ Nguyên lý của phương phápnày là khi tần số của nguồn cấp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng 1 =2f/p cũng thay đổi theo tỷ lệ với tần số Đây là phương pháp điều chỉnhtrơn hoàn toàn và ta có thể điều chỉnh ở bất kỳ tốc độ nào

1 = 2f/p

f = var nên 1 = var

Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp :

U Xnm

1

f (U = const)Nghĩa là khi giữ điện áp không đổi, tần số giảm bao nhiêu lần thìmomen của động cơ sẽ tăng lên tỷ lệ với bình phương lần sự suy giảm củatần số Như thế, ta có thể tăng momen của động cơ bằng phương phápgiảm tần số

Thực tế là khi tần số giảm so với tần số định mức thì dòng điện sẽtăng lên rất nhiều nếu điện áp giữ nguyên do điện kháng giảm (điệnkháng tỷ lệ với tần số) Do đó, khi giảm tần số thì cũng phải giảm điện ápsao cho tỷ số giữa điện áp và tần số là không đổi Như vậy, trong trườnghợp giảm tần số thì mô men sẽ không thay đổi Do đó, trong đặc tính cơ sẽcó hai phần f1 > fđm và f1 < fđm

Hình 1.4: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ KĐB

1112đm1314

Mthf14f13

fđmf12f11

f1<fđmf1>fđm

M0

Ta có dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần sốnguồn lưới như sau :

Tóm lại, khi thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thờiđiều chỉnh cả điện áp đưa vào động cơ Phương pháp điều chỉnh tần số làmột phương pháp hiện đại, nhưng khá tốn kém do đó hiện nay nó chưađược dùng phổ biến mà chỉ sử dụng trong một số lĩnh vực nhất định

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch rotor :

Để điều chỉnh tốc độ, ngoài việc tác động vào stato, người ta còn cóthể tác động vào mạch rotor để thay đổi dòng điện rotor dẫn đến làm thayđổi momen của động cơ Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor làphương pháp chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nhờnối tiếp cuộn dây roto với bộ biến đổi điện trở mạch ngoài Do độ trượt tớihạn tỷ lệ với giá trị điện trở roto nên khi điện trở rôto thay đổi thì độ trượttới hạn sẽ thay đổi theo trong khi momen tới hạn không thay đổi do tần sốđiện áp giữ nguyên

Hình 1 5: Sơ đồ đơn giản của phương pháp điều chỉnh điện trở phụ mạch roto

Rf2

1

R2

Ta có sơ đồ đơn giản như sau :

Điện trở tổng của mạch roto:

R2 = R2 + Rf2Trong đó :

R2 _ Điện trở của mạch rotoRf2 _ Điện trở phụ mắc thêm vàoKhi thay đổi điện trở phụ ở mạch roto thì:

Sth  R2 = varMth = const ; Mnm = var

Trong một giá trị điện trở phụ nào đó thì mo men ngắn mạch của động cơ sẽ tăng lên sau đó sẽ giảm xuống do đó chỉ nên chọn giá trị của

điện trở phụ thay đổi trong một khoảng nhất định

M Mth

0

Hình 1.6: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở roto

Phương pháp này chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm tốc độ vàsự ổn định về tốc độ cũng kém hơn do đặc tính dốc hơn Tuy nhiên, phươngpháp này có ưu điểm lớn là có thể điều chỉnh điện trở phụ sao cho Mnmbằng Mth để mở máy động cơ với momen lớn nhất cũng như là dùng điệntrở phụ để hạn chế dòng điện mở máy

4 Phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi công suất trượt:

Đối với động cơ KĐB, công suất trượt Ps = s.Pđt được tiêu tán trênđiện trở của roto Với các máy có công suất lớn thì tổn hao công suất nàylà đáng kể đặc biệt là khi điều chỉnh ở tốc độ thấp (s lớn) Do đó, từ việctiết kiệm điện năng mới nảy sinh yêu cầu tận dụng công suất này Để tậndụng công suất tổn hao này, người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suấttrượt để đưa năng lượng này trả ngược về lưới Trong điều kiện nguồn cấpkhông đổi Pđt = const thay đổi công suất trượt Ps ta sẽ thay đổi được độtrượt s do đó làm thay đổi được tốc đôï động cơ

Sơ đồ nguyên lý:

=

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh công suất trược

Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh công suất trượt

M0

010203

P1 = P2 + Ps

Khi thay đổi góc mở chậm của Tiristor ở trạng thái nghịch lưu, ta sẽlàm cho Ps thay đổi dẫn đến độ trượt s cũng sẽ thay đổi Ta có đặc tínhđiều chỉnh như sau:

II Phương pháp điều chỉnh điện áp stator

cơ sẽ chuyển sang chế độ xác lập khác

2.Phương trình đặc tính cơ.

Để thành lập đặc tính của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồthay thế Dựa vào sơ đồ thay thế ta xác định được dòng điện stator :

I1= Uf

1[ √ Rμ21 + X2μ+

1

√ ( R1+ R2'

s )2+ Xnm2 ] ( 1.2)Trong đó:

Xnm _ điện kháng ngắn mạch

R1 _ điện trở statorR2’_ điện trở roto qui đổi về statoR _ điện trở tác dụng của mạch từ hoáX _ điện kháng ngắn mạch của mạch từ hoáTừ (1.2) ta thấy :

Khi ω=0 thì S=1, I1=I 1nm: dòng ngắn mạch stato

Khi ω=ω1 thì S=0 ta có :

Công suất điện chuyển từ stato sang roto.

P12=Mđt.ω1

Trong đó: Mđt là momen điện từ của động cơ, nếu bỏ qua các tổnthất phụ thì:

Công suất P12 chia thành hai thành phần:

- P cơ: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ

- ΔPP2 : công suất tổn hao đồng trong roto

P12=P cơ+ΔPP2

hay: M ω1=M ω 1+ΔPP2

do đó: ΔPP2 =M(ω1 −ω)=Mω S (1.7)

Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải

2

2 3I R

P 



Ta thấy phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thểbiểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa hai phương trình (1.9) vàphương trình (1.11) Sau khi biến đổi ta sẽ được phương trình đặc tính cơnhư sau:

này có thể bỏ qua R 1 , nghĩa là coi R 1 = 0 và phương trình đặc tính cơ códạng gần đúng:

M= 2 M th S

3 Phương pháp tính toán các thông số khi thay đổi điện áp:

a.Xác định điện áp cấp vào stator của động cơ từ bộ điều áp:

Để xác định điện áp cấp vào stator của động cơ thông qua bộ điềuáp, ta sử dụng quan hệ 2 = f(,)

b.Xác định các thông số khi thay đổi điện áp :

Như ta đã biết, khi thay đổi điện áp thì mo men cũng sẽ thay đổitheo tỷ lệ với bình phương lần sự thay đổi của điện áp Do đó, ta có thểxây dựng được các công thức xác định momen tới hạn và momen ngắnmạch của đường đặc tính nhân tạo thứ i nào đó

Ta đã có các số liệu của đường đặc tính tự nhiên :

Uđm ; Mthđm ; Mnmđm

Với đường đặc tính thứ i có điện áp là Ui ta sẽ tính được:

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ

I.Tính toán các thông số định mức của động cơ:

Để có được các thông số của động cơ ở chế độ định mức ta dựa vàocác số liệu cơ bản của động cơ sau :

Pđm = 36 kwUđm = 380 vnđm = 920 v/p

 = 3,3

KM = 2,4cosđm = 0,82 ; cos kđ = 0,62 ; cos0 = 0.069I1đm = 81A

I10 = 42,1 A

1.Vận tốc góc định mức:

Vận tốc của từ trường quay stato và vận tốc góc của động cơ ở chếđộ định mức được tính như sau :

2 Momen định mức của động cơ.

n



3 9,55.36.10

376,7 920

dm

M đm = 376,5 Nm

3.Momen tới hạn của động cơ:

Theo số liệu động cơ ta có bội số momen cực đại  = 3,3 do đó :

Mth = .Mđm Mth = 3,3 x 376,7 = 1233,21 Nm Vậy : Mth = 1233,21 Nm

4.Momen ngắn mạch

Để xác định momen ngắn mạch ta dựa vào hệ số momen ngắn mạch

KM = 2,4

Mnm = KM.MđmMnm = 2,4 x 376,7 = 896,9 NmMnm = 896,9 Nm

5 Hệ số trượt định mức của động cơ

7 Xác định độ trượt tới hạn:

Từ biểu thức của đặc tính cơ :

2.

f th

nm

U M

X 



suy ra:

2 1 1

3.

2.

f nm

th

U X

M 



2 3.220

0,56 2.1233,21.104,7

Mth = 1233,21 NmMnm = 896,9 Nm Mđm = 376,6 NmSđm = 0,08

Sth = 0,51

Từ các điểm trên, ta xây dựng được đặc tính tự nhiên trên hai trục (s,M) như hình 2.1 Đường đặc tính tự nhiên sẽ đi qua các toạ độ

2 Các đặc tính nhân tạo của động cơ:

Theo yêu cầu thiết kế là điều chỉnh điện áp vào động cơ để điềuchỉnh tốc độ của động cơ trong điều kiện tần số không đổi Như vậy, taphải xây dựng được các đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện áp Ta sẽ xâydựng các đặc tính có điện áp nhỏ hơn điện áp định mức, cụ thể là ta sẽ xâydựng các đặc tính ứng với điện áp bằng 0,4Uđm ; 0,6Uđm; 0,8Uđm

Theo đơn vị tương đối , lấy Mđm Uđm làm đơn vị cơ sở ta sẽ có:

M* thđm = 3,3

M* nm = 2,4Khi điện áp lưới suy giảm thì mô men tới hạn, mô men ngắn mạch sẽgiảm đi bình phương lần Do đó, ta có thể tính được các thông số của động

cơ ứng với các điện áp :

+ Với U1 = 0,8Uđm

Suy ra: U* 1 = 0,8

M* th1 = 0,8 2 M*

thđm = 2,112

M* nm1 = 0,8 2M*

nmđm = 1,536

+ Với U2 = 0,6Uđm

Suy ra: U* 1 = 0,6

M* th2 = 0,6 2 M*

thđm = 1,188

M* nm2 = 0,6 2M*

nmđm = 0,896

+ Với U3 = 0,4Uđm

Suy ra: U* 1 = 0,4

M* th3 = 0,4 2 M*

thđm = 0,528

M* nm3 = 0,4 2.M*

nmđm = 0,384

Do sth không thay đổi do đó ta có thể dựng được 3 đường đặc tính cơứng với 3 cấp điện áp như trên hình 2.1

Như vậy ta thấy khi điện áp lưới suy giảm dẫn theo mômen tới hạnsẽ giảm bình phương lần độ giảm điện áp, trong khi đó tốc độ đồng bộ giữnguyên và độ trược tới hạn không thay đổi Họ đặc tính cơ này chỉ thíchhợp với loại phụ tải bơm, quạt gió, không thích hợp với tải không đổi

Ngoài ra, đối với động cơ công suất lớn làm việc với phụ tải bơmhoặc quạt gió, người ta dùng phương pháp tăng dần điện áp đặt vào động

cơ để hạn chế dòng điện mở máy

3 Xác định đường đặc tính cơ của tải:

Như ta đã nêu ở phần trước, với phương pháp điều chỉnh động cơkhông đồng bộ bằng bộ điều áp chỉ thích hợp với tải có momen tỷ lệ vớitốc độ cụ thể là tải quạt gió

Momen cơ của tải có dạng:

1

Sth

M Mthñm Mnmñm

Mñm

0

Uñm 0,8Uñm 0,6Uñm

III Xác định điện áp khởi động của động cơ:

Phương pháp dùng bộ điều chỉnh pha có ưu điểm lớn nhất là dùng đểkhởi động động cơ động cơ không đồng bộ với dòng khởi động rất nhỏbằng cách hạ điện áp khi khởi động Nhược điểm của nó là momen khởiđộng nhỏ nhưng đối với tải mà ta đã xác định (tải quạt gió có momen khởiđộng không đáng kể) thì nhược điểm này coi như không có gì trở ngại

1 Dòng điện khởi động trực tiếp của động cơ:

Ta có thể tính gần đúng dòng điện khởi động của động cơ theo côngthức sau:

2.Điện áp khởi động :

Dòng khởi động trực tiếp của động cơ là khá lớn, có thể gây ranhững tác động không tốt đối với động cơ như phát nhiệt lớn, lực điệnđộng tác động lên các dây quấn lớn… Do đó, ta sẽ điều chỉnh điện áp đểdòng điện khởi động chỉ cỡ 2 lần dòng định mức có nghĩa là dòng khởiđộng mới bằng 0,4 lần dòng khởi động tự nhiên Để làm được điều này taphải giảm điện áp xuống chỉ còn bằng 0,4 điện áp định mức

Ukđ = 0,4.Uđm

Ukđ = 0,4.380 = 152 V

3 Xác định góc mở :

Dựa vào quan hệ 2 = f(,) xác định được góc  như sau:

Từ :  = 0,4 suy ra 2 = 0,16

coskđ = 0,62 suy ra kđ = 51,68Trên đồ thị 2 = f(,) ta vẽ hai đường thẳng, đường thứ nhất làđường thẳng vuông góc với trục 2 tại điểm 2 = 0,16; đường thứ hai làđường thẳng vuông góc với trục  tại điểm  = 51,68 Giao điểm của haiđường này sẽ cho ta biết được góc mở kđ = 960

Như vậy, trước khi mở máy cho động cơ ta điều chỉnh góc mở = 96ođể có điện áp khởi động là 152 V

Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng bộđiều chỉnh pha, điện áp lưới trước khi đưa vào động cơ sẽ được đưa qua bộđiều chỉnh pha (hay còn gọi là bộ điều áp xoay chiều) Bộ điều chỉnh phalại làm việc với một tín hiệu điều khiển Uđk Khi thay đổi tín hiệu Uđk này

ta sẽ làm thay đổi điện áp đặt vào stator (U1(1))

I Bộ điều chỉnh một pha:

Nguyên lý:

Tiristor chỉ được mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải cóđiện áp dương Anod và có xung điều khiển tác động lên cực điều khiểncủa Tiristor Đối với điện áp xoay chiều, nếu chỉ sử dụng một Tiristor thìnó chỉ có thể làm việc được trong một nửa chu kỳ của điện áp Do đó,người ta mắc 2 Tiristor song song ngược để có thể làm việc được trong cảchu kỳ Lúc này, để thay đổi điện áp ra ta chỉ cần tác động lên điện ápđiều khiển nghĩa là làm thay đổi góc mở  của Tiristor thì điện áp ra sẽthay đổi

Hình 3.2: Đường cong điện áp ra khi tải trở

Đối với trường hợp tải cảm, các Tiristor sẽ dẫn dòng từ khi có lệnhmở và vượt qua cuối bán kỳ một đoạn  do tính chất của tải điện cảm(trong điều kiện điện áp dương Anod)

Người ta cũng có thể sử dụng Triac để thay thế cho cặp Tiristor mắcsong song ngược với chất lượng điện áp ra tốt hơn Nhưng hiện tại chấtlượng Triac chưa thật cao và việc sử dụng cặp Tiristor mắc song song

T6 T4

0

(c)

Hình 3.3:Một số sơ đồ điều áp 3 pha

ngược vẫn là phổ biến Do đó trong phần đồ án này sẽ không đề cập đếnđiều áp bằng Triac

II Điều áp ba pha:

1.Các bộ điều áp 3 pha:

Hiện nay thường sử dụng các sơ đồ điều áp ba pha như sơ đồ tải đấusao không dây trung tính (hình a); sơ đồ tải đấu sao có dây trung tính (hình b); sơ đồ tải đấu tam giác

Đối

với sơ đồ tải đấu sao có dây trung tính, thực chất đây là 3 sơ đồ điều áp 1

A B C

T1

T2 T6

T4

Hình 3.4:Sơ đồ điều áp 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính

pha dịch pha 120o , không có dòng điện chạy giữa các pha với nhau Sơ đồnày chỉ phù hợp với tải có 4 đầu dây ra

Hai sơ đồ tải đấu sao không có dây trung tính và sơ đồ tải đấu sao thìdòng điện sẽ là dòng chạy giữa các pha với nhau, tuỳ từng thời điểm màcó thể có dòng trong cả 3 pha hoặc 2 pha Đối với hai sơ đồ này thì tuỳthuộc vào loại tải đấu sao hay tam giác mà chọn cho phù hợp

Trong trường hợp tải là động cơ, 3 cuộn dây stato đấu sao, ta chọn sơđồ tải đấu sao không có dây trung tính và tiến hành với tính toán các thôngsố cần thiết với sơ đồ này

2 Hoạt động của bộ điều áp 3 pha:

Xét sơ đồ 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính

Đối với điều áp 3 pha, điện áp ra không đơn giản như điều áp 1 pha,không thể xác định một dạng chung nhất nào của điện áp ra vì nó phụthuộc nhiều vào tính chất của tải () và góc mở  Xét điện áp ra của 1pha, ví dụ pha A, điện áp ra sẽ theo nguyên tắc sau:

- Nếu cả 3 pha cùng có van dẫn, trung tính giả sẽ trở thành trungtính thật, điện áp ra UA1 = UA

A B C A

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18

t t t t t t

t

T1

T2 T3

T4 T5

T6

UA1

Hình 3.5: Đường cong điện áp ra của một pha

- Khi chỉ hai pha có van dẫn, trong đó có van của pha A, điện áp raUA1 = 1/2UAB = 1/2UAC

- Khi chỉ có hai van dẫn, trong đóù pha đang xét không dẫn (pha A),điện áp ra UA1 = 0

Với nguyên tắc đó, ta sẽ biểu diễn hoạt động của sơ đồ thông quađiện áp pha A với các giả định :  = 600,  = 300, xung phát cho cácTiristor là xung chùm

Trong khoảng 2-3 : T1,T4,T5 dẫn UA1 = UA

3-4 : T1, T4 dẫn UA1 = 1/2UAB 4-5: T1,T4,T6 dẫn UA1 = UA 5-6 : T1,T6 dẫn UA1 = 1/2UAC 6-7 : T1,T3,T6 dẫn UA1 = UA 7-8 : T1,T2 khoá UA1 = 0

Nửa bán kỳ thì sau ngược lại với T3, T6 thay cho T4, T5 ….Như vậy,thông qua điện áp của pha A, ta có thể thấy rõ sự phụ thuộc vào tải và gócmở  của điện áp ra của bộ điều áp.

III.Tính chọn mạch động lực

1 Chọn sơ đồ mạch động lực

Như đã phân tích ở phần trước, sơ đồ điều chỉnh pha dùng haiTiristor mắc song song ngược tải đấu sao không dây trung tính là thích hợpnhất Do đó ta chọn sơ đồ này để tính toán và làm mạch động lực để điềukhiển tốc độ động cơ

Ta có sơ đồ sau:

2 Tính chọn Tiristor của mạch động lực.

Để chọn Tiristor ta phải dựa vào các yếu tố cơ bản như điện áp,dòng điện, điều kiện toả nhiệt của van bán dẫn Theo các yêu cầu của tải

ta có thể chọn Tiristor như sau:

a.Chọn theo dòng điện và điều kiện làm mát:

Dòng điện hiệu dụng của động cơ:

HD lv

I

Dòng điện định mức của Tiristor cần chọn là Iđmv = KI.Ilv Trong đó

KI là hệ số dự trữ về dòng, phụ thuộc vào điều kiện làm mát của van Ởđây, để làm mát cho Tiristor ta dùng cánh tản nhiệt có đủ diện tích bề mặtkhông sử dụng quạt thông gió làm mát cưỡng bức Do đó, ta chọn hệ số

KI = 3,2 Lúc này dòng điện định mức của van cần chọn là :

Iđmv = KI.Ilv = 3,2 x 40,5 = 129,6 AVậy : Iđmv = 129,6 A

b.Tính chọn theo điện áp :

Điện áp van bán dẫn được chọn theo điện áp dây của lưới Điện áp cực đại của van bán dẫn được tính như sau:

Uđmv = 1,8 x 537,4 = 967,32 VVậy : Uđmv = 976,32 V

Dựa trên hai thông số cơ bản của Tiristor đã tính ra ở trên là dòngđiện định mức van và điện áp định mức van mà ta chọn được 6 Tiristor loại151RB100 có các thông số:

- Dòng điện định mức của Tiristor Iđm = 150 A

- Điện áp ngược cực đại của Tiristor Un = 1000 V

T1 T2 T3 T4 T5 T6

RC

CC

Ap

Hình 3.7 : Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ

- Độ sụt áp trên van U = 2,2 V

- Điện áp điều khiển Ug = 2,5 V

Dòng điện điều khiển Ig = 200 mA

- Tốc độ biến thiên điện áp dU/dt = 200 V/ s

- Thời gian chuyển mạch tcm = 40 s

- Nhiệt độ cho phép Tcp = 120oC

3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực :

a.Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ :

b Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn :

Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua, trên van có tổnhao công suất P dưới dạng nhiệt Nhiệt sinh ra đốt nóng van bán dẫn, nếunhiệt độ này lớn hơn nhiệt độ cho phép thì van bán dẫn có thể bị phá hỏnghoặc làm việc không tin cậy Để van có thể làm việc được an toàn thì taphải tìm cách toả nhiệt cho van Đối với Tiristor trong trường hợp củamạch này ta chọn tản nhiệt bằng cánh tản nhiệt có đủ diện tích bề mặt

Tính toán cánh tản nhiệt:

Tổn thất công suất trên 1 Tiristor:

P = U.Ilv = 2,2 x 40,5 = 89,1 w

Diện tích tản nhiệt bề mặt:

m m

P S

K 





Trong đó:  - độ chênh nhiệt so với môi trường

Km – hệ số trao đổi nhiệt bằng đối lưu và bức xạ

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0c Nhiệt độ làm việc trên cánh tản nhiệt Tlv = 800c

 = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 400cChọn : 8( 2 0 )

0, 2784 8.40

c Bảo vệ qua ùdòng điện cho van :

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi quá tải hoặc ngắn mạch Tiristor.

Chọn Aptomat có:

Iđm = 1,1IHD = 1,1 x 81 = 89,1 A Chọn Iđm = 90 AUđm = 380 V

Aptomat có 3 tiếp điểm chính có thể đóng ngắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện , chỉnh định dòng ngắn mạch:

Inm = 7IHD = 7 x 81 = 567 ADòng quá tải :

Iqt = 1,8IHD = 1,8 x 81

= 145,8 A

Dây chảy (cầu chảy) được sử dụng để bảo vệ ngắn mạch cácTiristor Chọn loại cầu chảy có dòng định mức:

Iđmcc = 1,1Ilv = 1,1 x 40,5 = 44,55 A Chọn loại cầu chảy tác động nhanh có dòng định mức 50A

d Bảo vệ điện áp cho van :

Để bảo vệ điện áp do quá trình đóng cắt tiristor được thực hiệnbằng cách mắt R - C song song với tiristor Khi có sự chuyển mạch van,

các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong một khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của

dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảmlàm cho quá điện áp ngược giữa anot và katot của Tiristor Khi có mạch R

- C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quátrình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp

R = (530)  , CR = (0,54)F Chọn : R = 10 

C = 1F