Chuyên đề tốt nghiệp: Tìm hiểu ngành điện tử công suất phần 1 pot

Khái niệm chung: Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lưới điện có tần số W1, không đổi còn dây quấn thứ hai được kích thích bằng dòng một chiềuW2=0

Lời mở đầu

Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, rất nhiều loại máy móc thiết bị mới ra đời, phục vụ trong công nghiệp và sinh hoạt Tuy nhiên, có những máy mà chưa thể thay thế hoàn toàn, chẳng hạn như động cơ đồng bộ Mặc dù động cơ đồng bộ có cấu tạo phức tạp, mở máy rất khó khăn nhưng lại có những đặc tính quí giá như như hệ số công suất cos rất cao, không cần lấy công suất phản kháng từ lưới và khả năng tải lớn hơn do momen chỉ tỉ lệ bậc nhất với điện áp Vì vậy người ta thường cố gắng khắc phục những nhược

điểm của động cơ đồng bộ Trong đó việc tìm ra phương pháp khởi động động cơ một cách hiệu quả nhất được quan tâm thường là khởi động theo phương pháp không đồng bộ

Trên cơ sở đó bản đồ án này có nhiệm vụ thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ

đồng bộ Mạch đảm bảo quá trình khời động cho động cơ theo chế độ khởi động không đồng

bộ Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trong thời gian đến vài chục giây và điều chỉnh được

Các số liệu:

Điện áp kích từ định mức: 75V DC

Công suất kích từ định mức: 24KV

Điện áp kích từ cực đại (quá kích từ): 130 V

Điện trở khởi động: 0,8

Điện áp lưới điện: 3 380V

Trong quá trình hoàn thành bản đồ án này, do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Em rất mong được sự nhận xét, chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn qua đó, em có kiến thức sâu hơn về mạch tự động cấp kích từ cho động cơ

đồng bộ

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Quốc Hải và các thầy cô trong bộ môn đã nhiệt tình giúp đỡ và động viên em hoàn thành bản đồ án này

Sinh Viên:

Vũ Thị Bích

Chuyờn đề tốt nghiệp: Tỡm hiểu ngành điện tử cụng suất

Chương 1:

tìm hiểu công nghệ và yêu cầu kĩ thuật của thiết bị

I Động cơ đồng bộ

1 Khái niệm chung:

Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lưới điện có tần số W1, không đổi còn dây quấn thứ hai được kích thích bằng dòng một chiều(W2=0)

Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi trong những công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao Động cơ đồng bộ thường dùng cho máy bơm ,quạt gió, các hệ truyền

động của các nhà máy luyện kim và cũng thường được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các

tổ máy phát - động cơ công suất lớn

Ưu điểm: có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao

Sơ đồ nguyên lý:

Mạch stato của nó tương tự như động cơ không đồng bộ, mạch roto có cuộn kích từ để sinh ra từ trường trong máy và các cuộn dây khởi động( kiểu lồng sóc và dây quấn)

2 Nguyên lý làm việc:

Tác dụng của từ trường do dòng kích từ gây ra lên từ trường quay của stato tạo nên momen và momen quay với tốc độ đồng bộ xác định bởi biểu thức:

NDB =f: p (vòng/phút)

Tốc độ góc đồng bộ là: WDB = 2f (rad/s)

Trong đó f: tần số(Hz)

p: Số đôi cực

- +

~

U

Từ trường quay trong khe hở không khí kéo theo roto quay với tốc độ đồng bộ

Xem xét đơn giản các đặc tính của động cơ đồng bộ: nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato

và điện kháng tản, biểu thức của từ trường trong khe hở không khí luôn liên hệ với điện áp đặt vào stato, biên độ của từ trường này là không đổi Xét thời điểm pha A cực đại, từ thông trong dây quấn stato là đối xứng ở lân cận dây quấn pha A

Trong trường hợp hệ số công suất của dòng điện stato =1, momen của tải làm cho roto chậm sau so với từ thông stato.Vì lý do đường sức khép kín, các dòng điện stato tạo nên sức từ

động tổng

Nếu dòng kích từ tăng đột ngột, biên độ của từ thông tăng tức thời , momen tăng làm cho roto tăng tốc về phía trước cho đến khi đạt tới cân bằng ở góc lệch rất nhỏ Vì từ thông tổng không đổi, tăng sức từ động làm phần cảm được bù băng dòng điện stato (do đó dòng

điện vượt trước) sao cho sự phân bố của sức từ động stato trong một đường sức khép kín ngược với sự thay đổi của kích từ Kết quả rõ ràng là khi tăng kích từ sẽ làm giảm góc lệch của cực từ

và hệ số công suất của dòng stato sẽ vượt trước dòng điện lưới

Giảm dòng kích từ tạo ra hiệu quả ngược lại Góc lệch cực từ tăng lên và hệ số công suất của dòng stato chậm sau điện áp lưới

3.Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ:

Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ :

W1 = 2f1/p

Trong phạm vi momen cho phép M  Mmax , đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng đặc tính cơ  = vô cùng Khi momen vượt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng

bộ

4 Mở máy động cơ đồng bộ:

Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ gồm 2 giai đoạn:

* Giai đoạn 1:

max

M

W1

W

Stato của động cơ được đấu vào nguồn điện xoay chiều còn cuộn kích từ đóng kín qua

điện trở hạn chế Rhc để cuộn kích từ khỏi bị quá áp do sức điện động cảm ứng sinh ra trong nó (Rhc = (8 - 10)Rkt ) Trong giai đoạn này động cơ đồng bộ được khởi động như một động cơ không đồng bộ

Khi mở máy không đồng bộ, động cơ đồng bộ lấy đà đến tốc độ gần đồng bộ nhờ momen không đồng bộ MKD của bản thân xuất hiện khi đóng mạch dây quấn phần ứng vào lưới Sau khi được nối vào lưới có điện áp là UL và tần số lưới fl , dòng điện trong dây quấn phần ứng tạo nên từ trường quay với tốc độ DB Khi có sự xê dịch giữa từ trường quay so với roto với tốc độ DB -  = sDB thì trong dây quấn kích thích nối kín mạch qua RHC và trong dây quấn cảm kiểu dây quấn ngắn mạch có bước không đều sẽ có dòng điện cảm ứng, tần số

là sfL (: tốc độ góc của roto, s: hệ số trượt )

Do tương tác của dòng điện cảm ứng trong các mạch vòng bị nối tắt của roto với từ trường quay có momen điện từ không đồng bộ MKD như trong động cơ không đồng bộ được hình thành chủ yếu do các dòng điện cảm ứng trong dây cuốn cản Vì vậy các tham số dây cuốn cản (điện trở, điện kháng) thuộc vào số lượng, kích thước và vật liệu các thanh dẫn được chọn xuất phát từ các điều kiện mở máy sao cho đảm bảo đầy đủ momen không đồng bộ trong tất cả các giai đoạn khởi động Do đó dây cuốn cản dùng cho khởi động không đồng bộ còn gọi là dây cuốn mở máy

Quan hệ giữa momen không đồng bộ của động cơ đồng bộ với hệ số trượt M=f(s):

Khi bắt đầu quay, lúc đó hệ số trượt s = 1, momen mở máy bắt đầu Mmm tác dụng lên roto và ở hệ số trượt smax thì xuất hiện momen cực đại Mmax Momen không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp lưới Mkd  U2 Do đó nhất thiết phải nói là các trị số đặc tính của nó M,

Mmax được xác định ở điện áp nào Thông thường các momen đặc trưng không đồng bộ được biểu thị theo tỉ số momen định mức của động cơ ở chế độ đồng bộ: Mmm,/ Mđm, Mmax/Mđm.

Mkd

Mkdmax

Ms=0,05

Mkd =0

Rtt  0

0 s0 0,05 smax 0,5 1

s

Ta thấy trong việc hình thành momen không đồng bộ , ngoài sự tham gia của dây cuốn cản còn có dây cuốn kích thích vốn là dây cuốn 1 pha Dòng điện cảm ứng trong dây quấn kích thích tạo ra từ trường đập mạch hướng theo dọc trục, khác với từ trường quay sinh ra do dòng điện nhiều pha trong dây quấn cản Do đó trong đường cong momen không đồng bộ xuất hiện “chỗ lõm” ở khu vực s = 0.5 có thể làm cho việc mở máy động cơ bị xấu đi Cũng phải nhấn mạnh là khi mở máy , dây quấn kích từ nhất thiết phải nối với máy kích thích hoặc điện trở triệt từ vì trong dây quấn kích từ để hở mạch sẽ xuất hiện điện áp đáng kể chọc thủng cách

điện và làm hỏng máy

* Giai đoạn 2:

Cuối giai đoạn thứ nhất: khi tốc độ đạt 95% -98% tốc độ đồng bộ Lúc này ta đưa dòng kích từ vào roto để tạo ra momen đưa tốc độ động cơ lên đồng bộ

Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đưa động cơ lên tốc độ đồng bộ thì động cơ sẽ làm việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát nóng quá mức, có thể bị cháy

5 Vào/ ra đồng bộ:

Sau khi mở máy và được kéo vào đồng bộ , ở chế độ xác lập dòng điện trong dây quấn

đó không tồn tại

Tuy nhiên, bất kì quá trình quá độ nào liên quan đến sự thay đổi điện áp dòng kích từ hoặc momen ngoài thì từ thông móc vòng với dây cuốn cản thay đổi và trong dây cuốn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng làm quá trình quá độ tiến hành thuận lợi hơn Điều này làm cho máy

đồng bộ hàng loạt các loại đặc tính quí giá mà quan trọng nhất là khả năng làm việc ở những chế độ đồng bộ mà ở cả chế độ không đồng bộ trong trường hợp mất đồng bộ Cũng có khả năng là momen không đồng bộ xuất hiện trong khoảnh khắc tốc độ góc roto lệch khỏi đồng

bộ, khi đó việc xuất hiện momen không đồng bộ tạo thuận lợi làm chuyển dễ dàng hơn sang chế độ mới, khôi phục lại tốc độ đồng bộ của roto

Điện áp lưới sụt thấp, dòng kích từ momen giảm hoặc momen ngoài tăng đột ngột có thể

là nguyên nhân mất đồng bộ

Sự mất đồng bộ sẽ xảy ra khi momen ngoài vượt momen đồng bộ cực đại Mdbmax Sau đó mất đồng bộ dưới tác dụng của momen ngoài, tốc độ góc quay của rôto trở lên lớn hơn đồng

bộ nếu trước đó máy làm việc như máy phát và nhỏ hơn đồng bộ nếu máy làm việc như động cơ

Khi tốc độ roto càng sai khác tốc độ từ trường thì hệ số trượt tăng, momen điện từ không

đồng bộ tăng dần và ở một hệ số trượt s nào đó, momen ngoài có thể cân bằng momen điện từ không đồng bộ

Khả năng làm việc của máy đồng bộ ở chế độ không đồng bộ sau khi mất đồng bộ được xác định do đặc tính của momen không đồng bộ của máy

Hệ số trượt xác lập chế độ không đồng bộ

2cos2

L dm kd

N

U

R M

M





Hệ số trượt này rất bé , trong các máy lớn bằng vài phần nghìn Do đó sau khi mất đồng

bộ trong nhiều trường hợp máy chuyển sang chế độ không đồng bộ Thời gian kéo dài cho phép của chế độ không đồng bộ thuộc tổn hao sinh ra trong các mạch bị nối tắt ở roto

Pcu 2 = s Pdt  s P

Nó phải được đánh giá từ trước bằng tính toán nhiệt thông thường có thể làm việc dài hạn ở chế độ không đồng bộ khi hạ thấp công suất chút ít Vì ở chế độ không đồng bộ , máy không phát công suất phản kháng vào hệ thống nên sau khi loại trừ sự cố dẫn đến mất đồng bộ phải đưa máy trở lại chế độ đồng bộ Quá trình đưa từ chế độ không đồng bộ về chế độ đồng

bộ gọi là tái đồng bộ

Quá trình tái đồng bộ tương tự như đồng bộ Nếu hệ số trượt ở chế độ không đồng bộ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trượt vào đồng bộ so , ở đó có thể kéo vào đồng bộ thì có thể thực hiện tái đồng bộ mà không cần phải tác động gì Nếu ở chế độ không đồng bộ, hệ số trượt s lớn hơn s0 thì phải điều chỉnh dòng kích từ: tăng dòng kích từ để có thể kéo vào động bộ

II Yêu cầu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật

Mạch tự động cấp kích từ cho động cơ không đồng bộ, đảm bảo quá trình khởi động cho

động cơ theo chế độ không đồng bộ Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trọng thời gian đến vài trục giây và điều chỉnh được

Ta biết rằng khởi động động cơ đồng bộ là quá trình đưa động cơ vào làm việc bắt đầu

đặt điện áp xoay chiều 3 pha vào dây quấn stato, trong máy có từ trường quay quay với tốc độ

đồng bộ n1 =

p

f

60

, cho đến khi ta đưa kích từ một chiều vào dây quấn roto thì roto trở thành một nam châm điện Tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay và từ trường của roto sẽ sinh ra mômen điện từ làm cho roto quay cùng chiều quay với từ trường với tốc độ n = n1 Tuy nhiên

để thực hiện được như vậy là không dễ dàng, đặc biệt là với động cơ đồng bộ có công suất lớn Vì vậy thường sử dụng phương pháp không đồng bộ gồm 2 giai đoạn để khởi động cho động cơ đồng bộ (như đã nói ở chương 1) và mạch thiết kế cần phải đảm bảo được yêu cầu này Nhưng không phải lúc nào động cơ cũng vào được tốc độ đồng b Khi phát hiện hệ có nguy cơ mất đồng bộ thì tự động cấp quá kích thích để tăng dòng kích từ để giữ đồng bộ song