Đồ án kỹ thuật điện pdf

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong đó có sự phát triển của ngành công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và công nghệ điện tử đã làm cho các hệ truyền động của động cơ k

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền công nghiệp ngày nay, tất cả các nước trên thế giới nói chung

và nước ta nói riêng đều sử dụng động cơ điện Trong công nghiệp thì động cơ không đồng bộ được dùng nhiều hơn và chúng đang thay thế ngày một nhiều cho các động cơ một chiều Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giãn, dễ chế tạo vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Đến nay phần lớn các cần trục được trang bị động cơ không đồng

bộ, nhiều cơ cấu của máy cắt kim loại, truyền động phụ của máy cán và nhiều cơ cấu khác trong các lĩnh vực công nghiệp cũng đang sử dụng động cơ không đồng bộ Tuy nhiên khi điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ của động cơ rất khó khăn, riêng đối với động cơ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ điện một chiều Nhưng động cơ điện một chiều thì lại sử dụng phức tạp đòi hỏi phải có hệ thống cung cấp điện riêng, khi hoạt động

sẽ gây ra tia lửa điện.… Chính vì những điểm yếu đó của động cơ điện một chiều và ưu điểm của động cơ không đồng bộ mà hiện nay xu hướng nghiên cứu dùng động cơ không đồng bộ để thay thế động cơ điện một chiều ngày càng được quan tâm hơn

Bên cạnh những ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha nó còn có những nhược điểm như là: Momen tới hạn, Momen khởi động sẽ giảm xuống rất nhiều khi điện áp lưới tụt xuống, dễ phát sinh tình trạng nóng quá mức đối với Stato nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với Roto khi điện áp lưới giảm, khe hở không khí nhỏ cũng phần nào làm giảm bớt độ tin cậy của chúng

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong đó có sự phát triển của ngành công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và công nghệ điện tử đã làm cho các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ có thể khai thác hết các

ưu điểm để cạnh tranh với động cơ điện một chiều nhất là ở vùng công suất truyền lớn và tốc độ làm việc cao

Mặc dù em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao, tuy nhiên đây là lần đầu tiên em làm đồ án và nhận thức về thực

tế của em còn nhiều hạn chế nên em không tránh khỏi những sai sót Vì thế, em mong nhận được sự phê bình, nhận xét, góp ý của các thầy để giúp em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy và đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Hào Nhán đã giúp em hoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn thầy và hi vọng thầy sẽ giúp đỡ trong việc học tập của em sau này

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ BA PHA

I.Khái niệm chung.

1 Khái niệm chung.

Máy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1

Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nối với lưới điện có tần số f, dây quấn rotor (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín trên điện trở Dòng điện trên dây quấn rotor được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ rotor nghĩa là phụ thuộc vào tải

ở trên trục của máy

Cũng như các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ cơ điện, cũng như chế độ máy phát điện

Máy điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ nên ít được sử dụng

Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt Động cơ không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha, động cơ hai pha, động cơ một pha

Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600W thường là loại

ba pha có ba dây quấn làm việc, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 1200điện

Các động cơ có công suất nhỏ hơn 600W thường là loại hai pha hoặc một pha Động cơ hai pha có hai dây quấn làm việc, trục của hai dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện Động cơ điện một pha chỉ có một dây quấn làm việc

Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ:

Công suất cơ có ích trên trục Pđm

Điện áp dây stato Ulđm

Dòng điện dây stato Ilđm

2 Phạm vi áp dụng:

Động cơ điện không đồng bộ 3 pha được sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp như: máy bơm nước ở các trạm bơm, trong nhà máy xi măng thì được dùng cho các máy nghiền, máy khuấy, băng lăn vận tải…Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha

II Phân loại, cấu tạo:

Giống như các loại máy điện quay khác ,động cơ không đồng bộ ba pha

gồm có các bộ phận chính sau :Phần tỉnh hay còn gọi là stator, phần quay hay còn gọi là rotor, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy được vẽ trên hình 1.1

Hình 1.12.1 Phần tĩnh (stator)

Trên stator có võ, lõi thép và dây quấn

Hình 1.22.1.2 Lõi thép:

Lõi thép là phần dấn từ Do từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên giảm bớt tổn hao, lõi thép được làm bằng những lá thép (hình 1.3a) kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm thép tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm thép hình rẻ quạt (hình 1.3b) ghép lại thành khối tròn

Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi thép ngắn thì có thể ghép thành một khối nếu lõi thép có thể ghép thành một khối nếu lõi thép quá dài thì ghép thành những tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt Mặt trong của lá thép sẽ có rảnh để đặt dây quấn

2.1.3 Dây quấn:

Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép (hình 1.4) Dây quấn phần ứng là phần dây bằng đồng (hình 1.4a) được ép trong các rãnh phần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy

Hình 1.3 Lõi thép stato: a) Lõi thép hình vành

khăn; b) Lõi thép hình rẻ quạt; c) Mạch từ stato

Hình 1.4 Dây quấn của stato động cơ không đồng bộ 3 pha

Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm:

Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho một dòng điện nhất định chạy qua mà không bị nóng quá, một nhiệt độ nhất định để sinh ra một moment cần thiết đồng thời đảm bảo đối chiều tốt

Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn.Dây quấn phần ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu sau:

Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp

Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp

Trong một số máy cỡ lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp chồng và song

2.2 Phần quay (hay rotor)

Phần là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy (hình 2.1a)

2.2.1 Lõi thép

Lõi thép rotor được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện (hình 2.2) được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có

lỗ để lắp trục Phía ngoài của lá thép được xẻ rãnh để đặt dây quấn Lõi thép

Hình 2.1 Rôto (a) và (b) sơ đồ mạch điện của rôto dây quấn

b)

R

Vòng trượt

Chổi

than

Dây quấn rôto

a)

2.2.2 Dây Quấn:

Phân loại làm hai loại chính: Rotor kiểu dây quấn (rotor ngắn mạch) và totor kiểu lồng sóc Loại rotor lồng sóc công suất trên 100kW, trong các rảnh của lõi thép rotor đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạo thành lồng sóc (hình 2.3a) Ở động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rotor, thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh quạt làm mát (hình 2.3b) Động cơ điện có rotor lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được ký hiệu bằng hình 2.5c

Hình 2.2 Lá thép rôto của động cơ không đồng bộ

Loại rotor kiểu dây quấn: Rotor kiểu dây quấn (hình 2.4) cũng giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ dây quấn stator Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bóp được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên rotor chặc chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ

thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rotor thường đáu hình sao, có ba đầu kia được nối vào ba rãnh trượt thường làm bằng dồng đặt cố định ở một đầu trục và được cách điện với trục Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba rãnh trược, dây quấn rotor được nối với 3 vòng tiếp xúc, chổi than dây quấn rotor được nối với ba biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

Nhận xét: Đặc điểm của loại động cơ điện rotor kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor

để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy

Nhược điểm: Động cơ điện rotor dây quấn chế tạo phức tạp hơn rotor lồng sóc nên giá thành đắt hơn mà bảo quản cũng khó khăn hơn (dễ bị chập pha, mất và rò điện từ các dây dẫn ra vỏ máy rất nguy hiểm); hiệu suất của máy cũng thấp hơn so với rotor lồng sóc; khi sử dụng vành trược để phát sinh tia lửa điện gây cháy nổ, làm nhiễu quá trình điều khiển

Hình 2.4 rotor kiểu dây quấn

Hình 2.3 Cấu tạo rotor động cơ không đồng bộ

a) Dây quấn rotor lồng sóc b) Lõi thép rotor c)ký hiệu động cơ trên sơ đồ

©

Loại rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn này khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt vào một thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta gọi là lồng sóc (hình 2.3).

Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt, để cải thiện tính năng

mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục

Nhận xét: Rotor lồng sóc chế tạo đơn giản với số lượng lớn trong dây truyền công nghiệp, giá thành rẻ hơn, bền hơn dễ bảo quản so với rotor dây quấn, nhưng lại khó mở máy hơn rotor dây quấn đặc biệt những động cơ công suất lớn Trong những hệ thống có yêu cầu không cao về điều chỉnh tốc độ (có thể điều chỉnh theo cấp), điều kiện mở máy không quá khó khăn ta nên sử dụng động cơ rotor lồng sóc

2.2.3 Khe hở:

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện không

đồng bộ rất nhỏ ( từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa ) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng cao

III Nguyên lý động của động cơ không đồng bộ 3 pha.

Nguyên lý hoạt động của máy điện không đồng bộ nói chung và động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc nói riêng là làm việc dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí suất hiện từ trường quay với tốc độ n1=60f1/p (với p là số đôi cực, f1 là tần số lưới Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện I2 chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở, cảm ứng sức điện động Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra môment Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rotor, kéo rotor quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n

Hình 2.5 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Để minh họa vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor, chiều lực điện từ Fđt.

Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta căn cứ vào chuyển động tương đối của thanh dẫn rotor với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh ngược với chiều chuyển động của n1 Từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phải xác định được chiều chuyển động của sức điện động như hình 3.1

Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái với chiều quay n1.Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sức chuyển động tương đối, trong dây quấn không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0

Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2.

n2=n1-n

Hệ số trượt của tốc độ là:

1

1 1

2

n

n n n

n

n= 11 − = 60. 1 − vòng/phúc

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

I Những chỉ tiêu của hệ điều chỉnh tốc độ đối với động cơ điên.

Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng phương pháp thuần túy điện tác động lên bản thân hệ truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độ quay của động cơ điện

Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật cơ bản các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉ định các hệ thống truyền động điện

7 Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh

II Vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm nổi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi cùng công suất định mức so với động cơ một chiều

Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha…

Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ không đồng bộ lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ)

Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ không đồng bộ mới được khai thác các ưu điểm của chúng Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ tiristor-động cơ điện một chiều

Qua phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:

th I as M

Mth và sẽ điều chỉnh được tốt động cơ không đồng bộ.

III Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stator.

Mômen động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stator, nên

có thể điều chỉnh mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp stator và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều

2 '

2

2 '

mm

th

X R

R s

0

2 1

2

3

mm

f th

X R R

U M

+

±

±

= ω

2 2 1

' 2

mm

th

X R

R s

+

±

=

Hình 3.1 a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng ustator

b) Các đặc tính điều chỉnh bằng ustator động cơ không đồng bộ

U M U

U M M

th u th

b th dm

b th u th

b u

M

M M

u ≠ thì mômen tới hạn Mth.m tỉ lệ với bình phương điện áp, còn sth.m=const,

căn cứ vào biểu thức momen tới hạn ta có quan hệ sau:

(1-5)

Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(S), nếu ω =const, ta suy ra đặc tính điều

chỉnh ứng với giá trị us cho trước nhờ quan hệ:

(1-6)

Trong đó: Uđm : Điện áp định mức của động cơ

Ub : Điện áp đầu ra của bộ ĐAXC

Mth : Momen tới hạn khi điện áp là Uđm

Mth.u : Mơment tới hạn khi điện áp là Ub

Có nhiều cách điều chỉnh điện áp nguồn cấp vào stator động cơ không đồng bộ:

1.Điều chỉnh điện áp dùng biến áp tự ngẫu.

k Z Z

th thgh

cd th

R

R R S

2 2

Trong đó:

Mthgh; Sthgh mơmen và độ trượt tới hạn của đặc tính giới hạn

Mth; Sth các đại lượng tương ứng của đặc tính tự nhiên

c) Nhận xét:

Hệ dùng biến áp tự ngẩu không những có giá thành cao mà còn rất khó tự động hóa nên các chỉ tiêu điều chỉnh không cao Vì thế nó ít sử dụng

2 Điều chỉnh điện áp nhờ kháng bảo hòa:

a) Sơ đồ nguyên lý:

Kháng bảo hòa gồm cuộn làm việc Wlv và cuộn từ hóa Wth quấn chúng lên một gông từ Nó có thể là một pha hoặc ba pha Sơ đồ nối kháng bảo hòa để điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB như sau:

Hình 3-4 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ KĐB bằng phương

phápdùng kháng bảo hòaKhi thay đổi dòng từ hóa Ith nhờ biến trở đặt tốc độ, độ từ thẩm của lõi thép sẽ thay đổi do đó điện kháng của cuộn làm việc Wlv biến đổi điện áp đặt vào, động cơ biến cho ta các đặc tính cơ như hình vẽ (3-4) mỗi vùng ứng với một trị số của dòng từ hóa Ith

b) Đặc tính cơ:

Hình 3-5 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp

kháng bảo hòa

Hệ thống này có hai “vùng chết” không điều chỉnh được Vùng thứ nhất nằm giữa đặc tính cơ có Ithmax và đặc tính tự nhiên Vùng thứ hai nằm giữa trục tung và đường có Ith=0 Sở dĩ có hai vùng này vì dòng từ hóa đạt được cực đại

Imax nhưng Xlv vẫn có một giá trị nhỏ gây sụt áp nên đặc tính này không trùng với đặc tính tự nhiên Còn khi cuộn kháng bị khử từ hoàn toàn Ith=0 thì Xlv vẫn còn giá trị hữu hạn nên đặc tính cơ tương ứng không thể sát trục tung

quá lớn Vì vậy động cơ bị đốt nóng quá mức

3 Điều chỉnh điện áp nhờ bộ điều chỉnh thiristor:

a) Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý của hệ dùng điều chỉnh thirstor

Mạch lực của động cơ bao gồm ba cặp van nối song song ngược Ở trạng thái xác lập, các thiristor mở những góc như nhau và không đổi, trong đó T1, T3,

T5 thông ở nữa chu kỳ dương, còn T2, T4, T6 thông nữa chu kỳ âm của điện áp

lưới Điện áp đặt vào stator của động cơ Ub (tức điện áp ra của bộ biến đổi) Sẽ

là những phần của đường hình sin: U1 =U msin Ωt như trình bày trên hình (3-7)

Hình 3-7 Đồ thị điện áp pha ở đầu ra của bộ điều chỉnh thiristor

Giả thiết đường cong trên hình (3-7) là đồ thị điện áp pha A đưa vào

stator động cơ qua hai van T1 và T4 mở góc α 0tính từ góc của đường hình sin thì

nó sẽ thông cho đến thời điểm π do điện áp lưới dương đặt vào Anot và sau đó

từ π ÷ π + δ nó vẫn thông nhờ năng lượng điện từ tích lũy trong điện cảm của mạch Tương tự như vậy van T4 thông ở giữa chu kỳ âm, góc δ phụ thuộc vào góc ϕ của động cơ, tức là phụ thuộc độ trượt của động cơ.

Điện áp stator không sin, như hình (3-7) được phân tích thành những thành phần sóng hài, trong đó sóng hài bậc 1 là thành phần sinh công cơ học Giá trị hiệu dụng của sóng bậc 1 (U1b) không những phụ thuộc vào góc thông α 0

mà còn phụ thuộc góc pha ϕ của động cơ.

b) Đặc tính cơ:

Đặc tính điều chỉnh của hệ dùng bộ điều chỉnh thiristor có dạng như sau:

Hình 3-8 Các đặc tính điều chỉnh của hệ truyền động KĐB khi dùng bộ

điều chỉnh thiristorc) Nhận xét:

Ưu điểm của hệ này là nhờ sử dụng thiristor nên có khả năng tự động hóa để làm tăng độ cứng đặc tính cơ Về chỉ tiêu năng lượng, tuy nhiên tổn thất trong bộ biến đổi không đáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động cơ lại lớn Do đó hiệu suất cao

IV Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số.

1 Vấn đề thay đổi tần số của điện áp stator.

ω , ta nhận thấy khi thay đổi

tần số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ của động cơ không đồng bộ

Ta có sơ đồ điều chỉnh như sau:

Hình 4-1 Sơ đồ điều chỉnh tần sốGiả sử mạch stator:

1 1 1

1 C f I Z

E = Φ − (1-9)

Trong đó: E1 là sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stator, Φ là từ thông móc vòng qua cuộn dây stator, C là hằng số tỉ lệ, f1 là tần số của dòng điện stator

Nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở cuộn dây stator thì ta có:

1 1

1 E C f

Qua (1-10) ta thấy: nếu thay đổi f1 mà giữ U1=const thì Φ sẽ thay đổi theo.

Khi giảm f1<f1dm để điều chỉnh tốc độ ω < ωđmmà giữ U1 ≈ E1 ≈CΦf1 =const

thì theo (1-10), từ thông Φ tăng lên, mạch từ động cơ sẽ bị bảo hòa, điện kháng mạch từ giảm xuống và dòng từ hóa sẽ tăng lên làm cho động cơ quá tải

về từ, làm phát nóng động cơ, giảm tuổi thọ của động cơ, thậm chí nếu nóng quá nhiệt độ cho phép của động cơ thì động cơ có thể bị cháy

Còn khi tăng f1>f1dm nếu giữ U1 ≈E1 ≈CΦf1 =const và phụ tải Mc=const,

mà khi làm việc, momen M ≈KΦI2cos ϕ =M c =const Vậy khi tăng f1>f1dm s sẽ làm cho Φ sẽ giảm, dẫn đến dòng I2 tăng, nghĩa là động cơ sẽ bị quá tải về dòng,

nó cũng bị phát nóng làm xấu chế độ làm việc của động cơ hoặc bị cháy Vì vậy, khi thay đổi tần số f1 để điều chỉnh tốc độ thì người ta thường kết hợp thay đổi điện áp stator U1 Và người ta thường dùng bộ biến đổi tần số (BT) để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

2 Quy luật thay đổi tần số:

a) Luật điều chỉnh tần số - điện áp:

Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi Động cơ

có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức Có thể điều chỉnh tốc

* Khả năng quá tải:

Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Momen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là momen tới hạn Mth, khả năng quá tải về momen được quy định bằng hệ số quá tải

2

2

2

.

.

2 =  

=

ω ω

σ

s m s R s

m th

U K

U L L

L M

Điều kiện giữ khả năng quá tải về momen không đổi là:

dm

th th

m

M

M M

M

=

= λ

Từ trên ta suy ra:

dm M

M Us

0 0

x

dm cdm

c M M

Khi truyền động ổn định, M=Mc nên từ trên ta có:

2 1 2

1

0 0

x

sdm s x

dm đm

s

f

f U

b) Luật điều chỉnh từ thông:

Từ các quan hệ tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông Ψcủa máy hoặc từ thông Ψs của stator không đổi thì momen sẽ không phụ thuộc vào

tần số, và momen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

Nếu coi R3=0 thì Ψs=Us/ω0=Uđm/ωđm=const.

Khi ở vùng tần số làm việc thấp mà sụt áp trên Rs có thể so sánh được sụt

áp trên điện cảm tản mạch stator thì đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó

tỉ lệ với biên độ dòng điện rotor

Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối

đa Luật điều chỉnh tần số-điện áp là luật giữ gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh Tuy nhiên từ thông động cơ, trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt, tức là phụ thuộc momen tải trên trục động cơ Vì thế trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông

I = Ψ + ω nên nếu muốn giữ từ thông Ψrkhông đổi thì dòng

điện phải được điều chỉnh theo tốc độ trượt Phương pháp này có nhược điểm là mỗi động cơ phải cài đặt một sensor đo từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đo gắn trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiểu

Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông rotor mà không cần cảm biến tốc độ

Nếu ta giữ tần số trượt không đổi ωs =constthì momen chỉ còn phụ thuộc

vào Is mà không phụ thuộc vào tần số nguồn Đặc tính M(ωs) như hình 3-10.

Hình 4-2 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ không động bộ với tần số

trượt không đổi

d) Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện

Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản

mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn

- Điều chỉnh tần số - dòng điện

Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp

- Điều chỉnh vector dòng điện

Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí

vector dòng điện không gian Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau

e) Điều khiển trực tiếp moment

Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh Vì ψr có quán tính cơ

nên không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi ψs

Không thay đổi ψr Phương pháp này không điều khiển theo quá trình

mà theo điểm làm việc Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vector rotor ψr cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện nay đã

có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng moment của hệ điều khiển vector chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hưởng của bảo hòa mạch từ tới R s lớn

Trên hình 3-12c, khi phụ tải Mc= const (q=1) thì điều chỉnh tần số và điện

áp stator theo quy luật:

Trên hình 3-12d, khi phụ tải Mc= const (q=2) thì điều chỉnh tần số và điện

áp stator theo quy luật:

Trên hình 3-12a, khi phụ tải Mc=const (q=-1) thì điều chỉnh tần số và điện

áp stator theo quy luật:

Trên hình 3-12b, khi phụ tải Mc=const (q=o) thì điều chỉnh tần số và điện

áp stator theo quy luật:

4 Bộ biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha.

Bộ biến tần là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện có tần số f1 cố định thành nguồn điện có tần số fr thay đổi được nhờ các khóa bán dẫn Người ta thường dùng 2 loại biến tần là: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

4.1 Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều có tần số

f1 sang nguồn xoay chiều có tần số fr

Hình 4-4 Sơ đồ khối bộ biến tần trực tiếp

Bộ biến tần trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch nối song song ngược (sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp được trình bày như hình vẽ) Cho xung mở lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta sẽ nhận được dòng điện xoay chiều chạy qua tải

Ở mỗi pha ở đầu ra (a,b,c) được cấp điện bởi hai nhóm thyristor Nhóm T tạo ra dòng điện chạy thuận và nhóm N tạo ra dòng chạy ngược Mỗi nhóm là một bộ chỉnh lưu (hoặc nghịch lưu phụ thuộc) ba pha Để hạn chế dòng ký sinh chạy qua hai thyristor của nhóm T và nhóm N đang dẫn, người ta dùng các cuộn kháng ĐK1 và ĐK6

Hình 4-5 Bộ biến tần trực tiếp dùng thyristor.

Khi điều khiển theo nhóm thì mỗi nhóm được mở trong nữa chu kỳ điện

áp đầu ra Xét sự làm việc pha a theo đồ thị sau

Hình 4-6 Đồ thị điện áp một pha của biến tần trực tiếp

Trong khoảng thời gian t1: Nhóm T1 mở, còn trong khoảng t2 thì nhóm N4

mở Các thyristor trong cùng một nhóm chuyển mạch cho nhau nhờ điện áp lưới (chuyển mạch tự nhiên) Mỗi thyristor mở 1/3 chu kỳ của điện áp lưới Thay đổi

số thyristor mở trong mỗi nhóm ta sẽ thay đổi được thời gian của chu kỳ điện áp đầu ra T2=t1+t2 do đó thay đổi được tần số đầu ra của biến tần

Từ đồ thị ta tìm được mối quan hệ giữa tần số lưới và tần số ra:

2 2

1

− +

=

=

m n

m T

T

f

f r

Trong đó:

m: Số pha đầu vào của bộ biến tần (m=3)

n: Số đỉnh hình sin (tức số thyristor mở ở mỗi nhóm) trong một nữa chu

kỳ của điện áp ra

Theo công thức trên ta thấy tần số đầu ra luôn luôn nhỏ hơn tần số lưới vì

n là số nguyên nên tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp

Điện áp ra Vr được thay đổi bằng cách thay đổi góc chậm θ của các thyrostor hình 3-17b minh họa

Vì số đỉnh hình sin n ở trường hợp này giống như hình 3-17a nên tần số đầu ra của hai trường hợp như nhau, nhưng điện áp ở hình 3-17b có giá trị nhỏ hơn

Để tạo ra điện áp ba pha ở đầu ra ta điều khiển các nhóm thyritor mở theo thứ tự T1-N2-T3-N4-T5-N6-T1 mỗi nhóm cho mở 1/3 chu kỳ của điện áp ra Nếu điện áp ra được lọc phẳng hoàn toàn thì bằng cách điều khiển như trên ta được

đồ thị điện áp ra ở ba pha như trên hình 3-16 (Hệ thống điện áp ba pha ở đầu ra

bộ biến tần trực tiếp)

Hình 4-7 Hệ thống điện áp ba pha ở đầu ra của bộ biến tần trực tiếp

Để có thể điều chỉnh tinh tần số ra và tạo được điện áp có dạng gần hình sin hơn, ta áp dụng phương pháp điều khiển góc mở thyristor θ cần thiết cho các thyristor ở mỗi pha của điện áp đầu ra và kết quả ta được đồ thị điện áp ra một pha đầu ra như hình vẽ sau thành phần sóng điều hòa bậc nhất (theo tần số wr

của điện áp này là đường đứt)

Hình 4-8 a) Quan hệ θ=f(ωt).

b) Đồ thị điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp khi điều khiển góc θ theo

quy luật hình sin

4.2 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều có V1,f1 là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr biến đổi qua khâu trung gian một chiều Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các thiết bị nghịch lưu

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm ba khây cơ bản:

Khâu chỉnh lưu: Biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều

Bộ lọc: Để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu

Khâu nghịch lưu: Biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ

Thiết bị nghịch lưu có thể là thyristor hoặc transistor công suất