điều chỉnh tốc độ động cơ roto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung

Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phơng pháp điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề

Lời nói đầu

Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp Khi động cơ điện đợc đa vào ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt đợc sự tối u về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng

Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền động điện đợc phát triển và có những thay đổi đáng kể Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đợc yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ truyền động.

Mặc dù là một lĩnh vực tơng đối hẹp nhng truyền động điện xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có những vấn đề hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ

điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phơng pháp

điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh vực này Những kết quả đợc trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới chỉ là những kết quả bớc đầu Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện đợc các nhiệm vụ sau:

 Tổng quan các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.

 Lựa chọn và tính toán mạch động lực.

 Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển.

 Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng.

Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hớng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hớng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này.

I.Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha 2

II.Mạch điện thay thế 3

III.Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ 5

84

Chơng I

Tổng quan các phơng pháp điều chỉnh tốc

độ động cơ không đồng bộ ba pha

A mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

I Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha

Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể không nói đến sự biến đổi năng lợng từ dạng này sang dạng khác Trong đó, động

cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác.

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac…)

đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và đa ra nhiều

Trong công nghiệp thờng dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong hầm mỏ dùng…làm máy tời hay quạt gió Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng nh làm quạt gió, máy bơm n-

ớc, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện…khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng đợc cải thiện và mở rộng

Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhợc điểm riêng của nó Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những u điểm kể trên nó có một số nhợc

điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosϕ thấp, khống chế các quá trình quá

độ khó khăn Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động tơng đối xấu Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế

Nói tóm lại, với những u điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng đợc phát triển và cải tiến về mọi mặt

II Mạch điện thay thế

Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m1 pha ờng m1 = 3), trên rôto có dây quấn m2 pha (m2 = 3 đối với động cơ rôto dây quấn; còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m2 > 3) Nh vậy trong động cơ không đồng

(th-bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm ứng từ Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có đợc hệ phơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay nh sau:

I + 'I =I ;3

;E

='E

);

jx'+s

r'('I-'E

=0

);

jx+(rI+E-

=U

0

• 2

• 1

•

1

• 2

•

2

2 2

• 2

•

1 1 1

• 1

• 1

•

(I)

Dựa vào các phơng trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập đợc mạch điện thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay nh sau:

Thờng để thuận lợi cho tính toán, ngời ta biến đổi mạch điện thay thế hình

T thành mạch điện thay thế hình Г đơn giản hơn:

Trong đó:

m

1 1

Z

Z 1

m 1

• 1

•

00

•

Z C

Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa:

III Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ

Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình Г đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của dòng

điện rôto đã quy đổi về stato I’2 là:

Trong đó: M đt – mômen điện từ của động cơ

Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ, ta ký hiệu:

;'I

=''

I• 2 • 2

;I

=I-I

=''I-I

=''

• 2

• 1

• 2

• 1

• 00

•

(II)

Hình 3 Mạch điện thay thế hình Г đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ.

2 1

f 2

x)s

'rr(

U'

I

++

=

2 2

th

nm 1

2 2

1 1

2

xr

'r)

'xx(r

'rs

+

=+

+

=

Mđt = Mcơ = MCông suất đó đợc chia làm hai phần: công suất đa ra trục động cơ Pcơ và công suất tổn hao trong rôto ∆P2 nghĩa là:

2

2 2

2 = 3 I ' r ' P

∆

nên

s

' r ' I 3 M

0 2 2 2

ω

=Thay (1) vào phơng trình trên ta có phơng trình đặc tính cơ:

Kết hợp với phơng trình tốc độ ω = ω0 (1 – s) ta có dạng đờng cong đặc tính cơ:

Điểm cực trị của đặc tính cơ thờng đợc gọi là điểm tới hạn có tọa độ [Mth,

sth]:

]x+)s

'r+r[(

'rU3

=

M

2 nm 2

2 1 0

2

2 fω

(2)

s s s

M 2 M

th th

2 f th

x2

U3M

th

th th

as 2 + s

s + s s

as + 1 M 2

= M

= 1 0

π

ω tốc độ không tải lý tởng;

1 1

• 1

• 1

• 1

•

Z I - U

= f c

s hệ số trợt của động cơ.

Do đó ta có:

s) - 1 ( p

f

2 π 1

ω = (7)

Từ phơng trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ω

ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông số: tần số nguồn f1, số đôi cực p

và hệ số trợt s Tơng ứng với sự điều chỉnh các thông số trên ta có các phơng pháp

điều chỉnh động cơ không đồng bộ:

- Thay đổi tần số f1 của nguồn cấp

- Thay đổi số cực 2p

- Điều chỉnh điện áp đặt vào stato

- Điều chỉnh điện trở mạch rôto

Máy điện đợc chế tạo để hoạt động ở tần số định mức nên khi thay đổi tần

số chế độ làm việc của máy điện cũng bị thay đổi vì tần số có ảnh hởng trực tiếp

đến từ thông của máy điện Quan hệ này có thể đợc phân tích nhờ phơng trình cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện:

Nh vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải thay

đổi điện áp một cách tơng ứng

Ngời ta chứng minh đợc rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều chỉnh

điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi ( λ = Mth/ Mc = const )thì

chế độ làm việc của động cơ luôn đợc duy trì ở mức tối u giống nh khi làm việc ở thông số định mức Khi đó hiệu suất và cosϕ của máy trong toàn dải điều chỉnh gần nh không đổi

2 Các đặc tính điều chỉnh

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số không chỉ phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp, nghĩa là còn phụ thuộc đặc tính của phụ tải

Hình 6 Các đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc độ động cơ

không đồng bộ bằng tần số với các loại tải khác nhau.

 Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng biến tần có thể hãm tái sinh cho nên nguồn xoay chiều này có thể làm việc ở cả 4 góc tọa độ

 Nhợc điểm

 Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn

và mạch điều khiển điện tử

 Phạm vi ứng dụng

 Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có nhiều u điểm, song phạm vi ứng dụng của nó phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế Do vậy, trong thực tế biến tần thờng đợc sử dụng khi có nhiều động cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung Động cơ không

đồng bộ rôto dây quấn ít đợc sử dụng cùng với biến tần do biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc một cách dễ dàng

II Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực

Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng bộ, tốc độ từ trờng quay thay đổi và do đó tốc độ động cơ rôto cũng biến đổi theo Quan hệ đó thể hiện trong biểu thức tốc độ sau:

s) - 1 ( p

f 2

= π 1

ω

Động cơ đa tốc thờng có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng tự biến đổi

số cực rôto theo stato Do đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp nhàng với stato Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, phơng pháp này hiếm khi đợc sử dụng vì khi thay đổi số cực stato ta đồng thời phải thay đổi số cực rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp

III Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato

1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở – kháng mạch stato

a Nguyên lý điều chỉnh

Từ phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:

] x + ) s

'r + r [(

'r U 3

= M

2 nm 2

2 1 0

2

2 f ω

Ta thấy, có thể làm biến dạng đặc tính cơ bằng cách nối vào mạch stato một

điện trở phụ hoặc một điện kháng phụ Trong thực tế, việc dùng điện trở phụ có hiệu quả rất kém do có tổn hao trên bản thân nó, nên ít đợc sử dụng Sơ đồ nguyên

lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ ba pha khi dùng kháng trong mạch stato nh sau:

Hình 7 Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh 11

x f2 x f1 đt.gh

M c.cp

M 0

Từ mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ ta thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng điện stato và rôto đều giảm xuống, do

đó mômen M của động cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn mômen tải Mc nên hệ

sẽ giảm tốc Kết quả là động cơ sẽ chuyển sang làm việc xác lập ở tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản

Từ phơng trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn kháng vào stato, khi

đó điện kháng ngắn mạch xnm tăng và do đó, độ trợt tới hạn sthvà mômen tới hạn

Mthđều giảm nh trên hình 7

b Các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có những u, nhợc điểm sau:

 Các chỉ tiêu năng lợng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi giảm tốc độ và hệ số công suất cosϕ thấp do nối thêm kháng

 Phạm vi ứng dụng

Phơng pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhợc điểm do đó ít đ-

ợc dùng trong thực tế

= s

= s

U M

= M

tn th u th

2 b th u th

2 Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato

a Nguyên lý điều chỉnh

Để điều chỉnh điện áp ngời ta dùng bộ nguồn BĐ có điện áp ra thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý hình 8

Khi thay đổi điện áp lới, ví dụ khi giảm xuống còn x lần (x < 1) điện áp

định mức (U1 = xUđm) thì mômen sẽ giảm xuống còn x2 lần M = x2Mđm Nếu mômen tải không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trợt tăng lên

Theo công thức về mômen M = cmI’2φ, trong đó cm là hằng số, thì khi điện

áp lới U1 = xUđm, thì sức điện động E và từ thông φ cùng bằng x lần giá trị ban đầu

và I’2 tăng lên 1/x lần Vì hệ số trợt:

1 2

2 2 1 t

đ

2 cu

M

' r ' I m

= P

P

= s

s - 1 ( n

=

Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn Mth sẽ thay đổi đổi tỷ

lệ với bình phơng điện áp, còn độ trợt tới hạn sth thì giữ nguyên, nghĩa là:

Đặc tính điều chỉnh có dạng nh sau:

13

Hình 8 Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện không

đồng bộ có điều chỉnh điện áp nguồn.

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là Mc và tốc độ là ω1, điểm làm việc là điểm a trên đồ thị hình 10 Để điều chỉnh tốc độ ta

đóng một điện trở Rf vào cả ba pha rôto, khi đó điện trở mỗi pha rôto là

f

2

2 = r + R

R Điện trở rôto tăng, từ sơ đồ mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hóa

ta thấy dòng điện stato I1 giảm đột biến và do đó mômen của động cơ cũng giảm

Do quán tính của động cơ nên tốc độ không thay đổi đột ngột Điểm làm việc chuyển từ điểm a đến điểm b Tại thời điểm đó, M < Mc nên hệ giảm tốc Mặt khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trợt tăng nên suất điện động cảm ứng trong rôto E2 tăng lên Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho

đến khi M = Mc thì hệ xác lập nhng với tốc độ mới ω2 < ω1 Trạng thái này ứng với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh

r2

U3M

2 nm

2 1 1

0

2 f th

++

2 2

th

nm 1

2

2 1 1

2

x r

'r )

' x x ( r

'r s

+

= +

+

=

Hình 11 Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện động phụ vào mạch

rôto của động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc độ của nó

=

• 2

đợc ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng

bộ rôto dây quấn Phơng pháp này đợc sử dụng trong các hệ thống

có các động cơ không đồng bộ làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại, và thích hợp với các hệ thống yêu cầu tốc độ không cao

nh cần trục, cầu trục…

V Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng

1 Nguyên lý điều chỉnh

Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối tầng đợc thực hiện bằng cách đa vào rôto của nó một sức điện động Ef Sức điện động phụ này có thể cùng chiều hoặc ngợc chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số rôto Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặc một chiều nh sơ đồ nguyên lý sau:

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này nh sau:

Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lợng từ

l-ới và sinh năng lợng trợt ở mạch rôto ∆ Ps = M ω0s Khi đa Ef vào, dòng điện rôto khi đó

Ta giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính ứng với một giá trị Ef nào đó Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm, mômen điện từ của

động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen Mc, nên tốc độ của động cơ giảm Khi tốc độ giảm, độ trợt tăng làm cho E2 = E2nms tăng lên Kết quả là dòng điện rôto I2

và mômen điện từ tăng lên Cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng với

mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ hơn trớc.

Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không tải lý tởng ω0lt Khi Ef = 0

 Phạm vi ứng dụng

Phơng pháp điều chỉnh công suất trợt thờng áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn Phơng pháp này nên áp dụng cho các truyền động có

số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì thờng ta khởi động bằng phơng pháp khác cho đến khi tốc độ đến vùng làm việc thì mới sử dụng phơng pháp này để điều chỉnh tốc độ

Kết luận:

Từ việc phân tích các u, nhợc điểm của các phơng pháp điều chỉnh tốc độ

động cơ không đồng bộ với động cơ trong yêu cầu của đồ án là động cơ không

đồng bộ ba pha rôto dây quấn ta thấy phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng điện trở xung rôto là thích hợp nhất

2 nm 2 2 1

f 2

x + ) s

'r + r

U

= 'I

Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của động cơ Jđ/c = 0,837 Kgm2

Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U1 = 380 V; tần số f1 = 50 Hz

Hiệu suất của động cơ:

% 75 , 74

=

% 100 74 , 0 6 , 20 380 3

10 5 , 7

=

% 100 cos

I U 3

P

=

3 m

đ m

đ 1

m

đ

η

ϕ η

Hệ số trợt của động cơ:

3000

695p - 1

= s 60f

np - 1

= s

Nh vậy, ta thấy khi p = 4 và khi đó s = 0,073 là hợp lý

Sức điện động của rôto khi quay ở tốc độ định mức:

V 542 , 18

= 254 073 , 0

= E

sE

= E

2

20 2

= 254

380 95 , 0

= k

E

U 95 , 0

= E

E

= k

e

20

1 20

1 e

Trong đó:

Ta lấy E 1 = 0,95U 1

Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số biến đổi dòng điện bằng tỷ số biến đổi điện áp:

42 , 1

= k

= 065 , 2 + ) 073 , 0

932 , 0 + 04 , 1 (

220

= ' I

2 2

2

Dòng điện định mức trong dây quấn rôto:

A 377 , 22

= 759 , 15 42 , 1

= I

' I k

= I

2

2 i 2

B lựa chọn và tính toán mạch động lực

Động cơ trong yêu cầu của bài toán thiết kế là loại động cơ ba pha sử dụng

điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách

điều chỉnh xung điện trở mạch rôto Do vậy, động cơ đợc mắc trực tiếp vào lới

điện ba pha có điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz

Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở phụ mắc vào mạch rôto Hệ thống điện trở phụ bao gồm ba biến trở Rf mắc vào ba pha của dây quấn rôto thông qua hệ thống vành trợt Sử dụng biến trở trong việc

điều chỉnh tốc độ động cơ là một phơng pháp đơn giản nhng có nhiều nhợc điểm Phần lớn các nhợc điểm đều liên quan đến dạng đặc tính cơ mềm và dùng điện trở nhiều cấp trong mạch lực

R f - điện trở điều chỉnh mạch rôto.

I Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto

Để khắc phục một số nhợc điểm quan trọng trên và mở ra khả năng tự động hóa hệ thống, ngời ta dùng phơng pháp điều chỉnh xung điện trở Đây là một ph-

ơng pháp phát triển của phơng pháp biến trở Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp này

nh sau:

20

K R

R x

U ~

CL

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở

rôto kết hợp với bộ chỉnh lưu.

Đ

Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng “điện trở xung” Rx Để dùng Rx ta dùng một điện trở có giá trị không đổi R và một khóa K đóng cắt theo chu kỳ

Nếu khóa K là lý tởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân khi đóng là Kkh=

0 và khi cắt là Rkh= ∞, thì khi K đóng Rx= 0, và khi K cắt Rx=R Nh vậy, điện trở phụ trong mạch rôto thay đổi theo chu kỳ từ 0 đến R và trong mạch rôto từ r2 đến

r2+R

Điện trở điều chỉnh trong trờng hợp này sẽ có một giá trị tơng đơng nằm giữa 0 và R Nó phụ thuộc vào tơng quan giữa các thời gian đóng tđ và thời gian cắt tc của khóa Giá trị đó quyết định độ cứng của đặc tính cơ biến trở và trị số tốc

độ của truyền động điện

Trong thực tế, việc dùng cả ba điện trở xung ở trong mạch rôto làm cho mạch điều khiển phức tạp và khó điều chỉnh Vì vậy, ta thờng dùng một điện trở xung Rx và một bộ chỉnh lu có sơ đồ nh sau:

Bộ chỉnh lu CL không cần yêu cầu cao về điện áp, do đó ta chọn sơ đồ

chỉnh lu cầu ba pha không điều khiển Sơ đồ nguyên lý nh sau:

Để dựng đặc tính cơ, ta phải tính đổi mạch một chiều với điện trở tơng đơng

Rtđ thành mạch xoay chiều ba pha với điện trở Rf trong mỗi pha, nghĩa là ta phải quy đổi mạch điện hình 13 thành dạng mạch điện hình 10 Cơ sở để tính đổi là nhiệt lợng tỏa ra trên điện trở của hai trờng hợp phải bằng nhau

Đối với sơ đồ hình 13, tại mỗi thời điểm dòng điện Iđ đều chạy qua hai pha rôto và mạch điện một chiều Do đó:

) R + r 2 (

I k

= ) R + r 2 (

đ t 2

2 d

K R

đ t

f R 2

1

= R

Hình 16 Biến thiên điện trở và dòng điện theo thời gian khi

điều chỉnh xung điện trở.

I 3

= ) R + r 2 (

I k

= ) R + r 2 (

2 2

2 cl

đ t 2

2 d

∆

5 , 1

= 23 , 1

Khi khóa K đóng, điện trở mạch vòng qua hai pha rôto còn là 2r2 nên dòng

điện rôto tăng, còn khi khóa cắt, giá trị là R+2r2 nên dòng điện rôto giảm

Do ảnh hởng của dây quấn trong động cơ nên mạch điện có tính cảm, do vậy dòng điện thay đổi theo quy luật hàm mũ nh hình 14 Khi khởi động, nó tăng

từ 0 theo một đờng răng ca lũy tiến Sau một thời gian đủ lớn, đờng răng ca đó trở nên xác lập và có Imax, Imin không thay đổi Trạng thái này gọi là “tựa xác lập”

Khi “tựa xác lập”, phơng trình dòng điện là:

T dd

t

d min

c = I + I - I ) e

i ( trong khoảng thời gian tc )

Trong đó :

I dd , I đc - là dòng xác lập ứng với trạng thái đóng và cắt của khóa K;

T đđ , T đc - là thời gian điện từ đóng và cắt của phần ứng khi khóa K đóng và cắt.

Vì tần số đóng cắt đủ lớn nên ta có thể coi tđ, tc << Tdd , Tđc do đó dòng điện tăng và giảm theo một đờng có thể coi là đờng thẳng từ Imin đến Imax và từ Imax đến

Imin Nh vậy trong cả hai khoảng thời gian đóng và cắt đều có một giá trị dòng trung bình

) I + I 2

1

=

Itb max minNhiệt lợng tỏa ra trong toàn mạch trong cả chu kỳ là :

2 tb c 2

2

tb ( 2 r + R ) t + I 2 r t.

I

= A

Mặt khác, nếu coi trong mạch có một điện trở cố định (Rtđ + 2r2) nào đó trong suốt cả chu kỳ thì Rtđ này phải đảm bảo cho dòng điện trong mạch đúng bằng Itb và cũng sẽ tỏa ra một nhiệt lợng đúng bằng ∆ A:

td 2 ck

2

tb ( R + 2 r ) t I

= A

∆ (12)

Trong đó t ck = t đ + t c

Cân bằng hai phơng trình (11) và (12) ta có :

ck 2

đ t

2 tb

đ 2

2 tb c 2

2

tb ( R + 2 r ) t + I 2 r t = I ( R + 2 r ) t I

hay:

ck 2

đ t

đ 2

đ ck

2 )( t - t ) + 2 r t = ( R + 2 r ) t r

2 + R (

nên:

) - 1 ( R

= ) t

t - 1 ( R

= R

1 − γ = - độ rộng của xung điện trở.

Nh vậy, điện trở cố định mạch rôto tơng đơng với điện trở xung theo quan hệ: Rtd = R ( 1 - γ ).

Nếu đã chọn trớc giá trị điện trở R, thì giá trị của điện trở tơng đơng phụ thuộc vào γ Thay đổi γ ta sẽ có các giá trị của điện trở tơng đơng Rtđ

Giá trị γ có thể thay đổi từ 0 – 1 bằng ba cách sau:

a Giữ tck không đổi, thay đổi thời gian đóng khóa tđ , gọi là “điều rộng”

b Giữ tđ không đổi, thay đổi thời gian tck , gọi là “điều tần”

c Thay đổi cả tđ và tck, gọi là điều “rộng – tần”

Trong thực tế, ngời ta thờng dùng phơng pháp thứ nhất do điều khiển là đơn giản nhất

Hình 17 giản đồ các đường cong dòng điện.

t 0

đóng, cắt càng nhỏ, do đó yêu cầu thiết bị tốt hơn, tốn kém hơn Trong thực tế, ngời ta thờng đóng khóa K theo tần số trong dải 200 Hz ữ 2000 Hz

Với tần số đóng, cắt nh vậy, ta không thể dùng các khí cụ cơ hoặc cơ kiểu rơle- côngtăctơ để làm khóa K Các thiết bị này có độ tác động nhanh kém

điện-từ-đến mức không thể điều khiển đợc dòng và tốc, chóng h hỏng do tác động ở tần số tơng đối cao Hiện nay, ngời ta làm khóa K bằng các van bán dẫn nh tiristor hoặc tranzitor

Tiristor thông thờng có các trị số giới hạn cao nhất, chắc chắn, tổn hao dẫn nhỏ, rẻ tiền nhng mở chậm và chỉ có thể đợc khóa khi triệt tiêu dòng điện tải Tuy nhiên, với dải tần số 200 Hz ữ 2000 Hz tiristor thông thờng phù hợp hơn và có thể chịu đợc điện áp ngợc lớn Tranzitor lỡng cực thích hợp với dải tần số 20 KHz ữ

100 KHz Tranzitor trờng thích hợp với dải tần số cao hơn 100 KHz Tiristor dễ bảo vệ chống lại các sự cố

Từ các phân tích trên, với dải tần số 200 Hz ữ 2000 Hz, ta dùng tiristor làm khóa K là lựa chọn thích hợp nhất

Nh trong sơ đồ hình 13, dòng điện tải id sau chỉnh lu cầu là dòng điện một chiều, với tần số đập mạch fm = 6 f1= 300 Hz

Nh trên giản đồ sau, ta thấy, để làm khóa K bằng tiristor ta phải có thêm tiristor T1 nữa để khóa tiristor T do tiristor T không thể tự khóa

u c

Từ các phân tích trên, ta có sơ đồ mạch động lực của hệ điều chỉnh xung

điện trở rôto nh sau:

Trong sơ đồ trên, tiristor T đóng vai trò của khóa T, nhóm các phần tử (T1,

C, D0, L1) dùng để khóa tiristor T

 Nguyên lý hoạt động

Trạng thái ban đầu, cả hai tiristor T và T1 đều ở trạng thái khóa không dẫn

điện nên tụ điện C cha đợc nạp điện Muốn khởi động bộ khóa, trớc hết ta cho xung điều khiển mở tiristor T1 Khi đó, tụ C đợc nạp tới trị số uc với cực tính ghi trong dấu ngoặc trên hình 18 Lúc này, dòng điện tải Id = 0, bộ khóa đã sẵn sàng làm việc

Để mở bộ khóa K, tại thời điểm ban đầu t = 0, ta cho xung điều khiển mở tiristor T, lúc này điện trở xung Rx = 0 Vì khi tiristor T mở đã mở nên tiristor T1

bị khóa lại do điện áp ngợc đặt vào hai đầu của nó Đồng thời, tụ C đợc tích điện sẵn cũng phóng điện qua tiristor T, cuộn L1 và điốt D0, kết quả là tụ C đợc nạp theo cực tính ngợc lại Tại thời điểm t = tđ muốn khóa tiristor T lại, chỉ cần cho

Độ rộng mỗi xung tđ là khoảng thời gian mở của tiristor T tơng ứng với khoảng thời gian giữa xung mở tiristor T và xung mở tiristor T1 Ta có thể điều chỉnh đợc độ rộng xung tđ theo ý muốn Chu kỳ tck tơng ứng với khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp mở tiristor T.

Để có bộ băm tần số cố định, ta giữ không đổi khoảng thời gian giữa hai xung kế tiếp mở tiristor T, và điều chỉnh khoảng thời gian giữa xung mở tiristor T

và xung mở tiristor T1

Nh ở phần trên, ta đã chọn phơng pháp giữ nguyên tck và thay đổi thời gian

đóng tđ Tức là ta sẽ cấp cho các tiristor các xung điều khiển có tần số cố định fck

nhng xung điều khiển của tiristor T1 sẽ cấp trớc xung điều khiển tiristor T một khoảng thời gian là tc = tck – tđ

II Tính chọn điện trở phụ R

Ta có dạng biểu thức Klox của động cơ không đồng bộ:

s

s s s

M 2 M

th th

th +

khởi động với i g1

Hình 19 Giản đồ các đường cong dòng điện và

điện áp khi điều khiển xung điện trở rôto.

Khi ta mắc thêm vào mỗi pha rôto một điện trở Rf, khi đó điện trở mỗi pha rôto lúc này là (r2 + Rf) Khi đó, dạng đặc tính cơ sẽ thay đổi và trở nên mềm hơn:

Trong trờng hợp phụ tải Mc là không đổi, khi đó điểm làm việc sẽ dời từ

điểm a(ωđm; Mc) đến điểm a’(ω2; Mc) Tơng ứng với sự thay đổi hệ số trợt tới hạn

từ sth.đm đến sth2 Trong suốt quá trình thay đổi trên, mômen tới hạn Mth là không

đổi

Giá trị điện trở Rf ảnh hởng đến phạm vi điều chỉnh D Khi giá trị điện trở

Rf càng lớn thì phạm vi điều chỉnh càng lớn và đặc tính cơ càng mềm, và ngợc lại, khi giá trị điện trở Rf càng nhỏ thì phạm vi điều chỉnh D càng nhỏ và đặc tính cơ càng cứng Ta sẽ tìm giá trị điện trở Rf đặt cố định vào mỗi pha rôto sao cho phạm

Rf

U∼

Hình 20 Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi

điện trở rôto.

2 2

th

nm 1

2x r

'r s

+

=

)xr

r2

U3

nm

2 1 1

0

2 f th

++

min

max ω

ω

Trong đó:

ωmax – tốc độ làm việc lớn nhất ứng với phụ tải M c = M đm ,

s / rad 73

= 60

695 2

= 60

n 2

2

m

đ min

max ω

ω ω

ω

Tốc độ làm việc nhỏ nhất:

s / rad 18

= 4

73

= 4

= đ m 2

ω ω

 Đối với đặc tính cơ tự nhiên

= 60

750 2

= 60

n 2

0

π π

ω

dm th dm th dm

dm th m

s

s s

s

M 2 M

+

=



Nm 97

= 073 , 0

403 , 0 + 403 , 0

073 , 0

276 2

=

Mđm

403 ,

0 065 , 2 04 , 1

932 , 0 s

2 2

dm

+

=

Nm276)

065,204,104

,1(5,78.2

220.3M

2 2

2 dm

.

++

=

Thay các giá trị trên vào hệ ta có:

Đặc tính tự nhiên qua điểm (ωđm; Mđm) tức là:

 Đối với đặc tính biến trở khi mắc thêm điện trở Rf vào mỗi pha rôto

Đặc tính này qua điểm (ω2; 0,9Mđm) có hệ số trợt s2 tơng ứng là:

771 , 0

= 78,5

18 - 5 , 78

=

-= s

0

2 0 2 ω

ω ω

Ta có:

2

2 th 2 th 2

2 th m

đ

S

S + S S

M 2

= M 9 , 0

Do mômen tới hạn là không đổi, Mth2 = Mth.đm = 276 Nm, nên:

771 , 0

S + S

771 , 0

276 2

= 97 9 , 0

2 th 2

th

hay:

323 , 6

= 771 , 0

S + S

771 ,

0 th.2

2 th

Suy ra:

0

= 594 , 0 + s 875 , 4 -

s 2 th22

th

th2.1 = 4,750;

Sth2.2 = 0,125

nm 1

2

x + r

' R

= S

Thay các giá trị vào ta đợc:

2 nm 2 1 2 th

2 = s r + x '

R

Ω

982 , 10

= 065 , 2 + 04 , 1 750 , 4

= '

2

Điện trở rôto khi cha quy đổi về phía stato:

2 e

2 2 2

k

' R

= k

' R

= R

Ω

447 , 5

= 42 , 1

982 , 10

= 462 , 0 - 447 , 5

= R

r - R

= R

f

2 2 f

Nh vậy, điện trở R mắc trong mạch một chiều hình 18 là:

R = 2Rf = 2.4,985 = 9,97Ω

III Tính chọn các điốt chỉnh lu D

Trong sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha không điều khiển thì các điốt D là các điốt giống hệt nhau do có cùng điều kiện làm việc, mỗi điốt dẫn dòng điện tải trong 1/3 chu kỳ

Trong quá trình làm việc của hệ, các điốt này phải chịu đợc khi mở máy và

ở điều kiện làm việc định mức

Khi mở máy, trong thực tế để mômen mở máy lớn đồng thời dòng điện mở máy không quá cao, ta điều chỉnh tần số đóng, cắt tiristor T sao cho Mmm = 0,8.Mth

31

Ta có dạng biểu thức Klox của động cơ không đồng bộ khi mở máy:

mm th mm th

th mm

s + s 1

M 2

= Mhay:

mm th mm th

th th

s + s 1

M 2

= M 8 , 0

Suy ra:

0

= 1 + s 5 , 2 - s

5 , 2

= s + s 1

mm th mm

th 2

mm th mm th

Khi điều chỉnh tần số đóng, cắt tiristor thì sth.mm > 1 Do đó: sth.mm = 2, ta lại có:

2 2 mm th

nm 1

mm 2

x + r

' R

= S

Ω

624 , 4

= 065 , 2 + 04 , 1 2

= ' R

x + r s

= ' R

2 2

mm 2

2 nm 2 1 mm th mm 2

Dòng điện trong dây quấn rôto đã quy đổi về phía stato lúc mở máy:

A 492 , 36

= 065 , 2 + ) 624 , 4 + 04 , 1 (

220

= 'I

x + ) ' r + r

U

= 'I

2 2

2 nm

2 mm 2 1

f

mm 2

mm 2

Dòng điện trong dây quấn rôto lúc mở máy:

5,0

=s

2

=s

2 mm th

1 mm th

A 819 , 51

= 492 , 36 42 , 1

= I

' I k

= I

mm 2

2 i mm 2

Ta tính chọn các điốt dựa vào các yếu tố cơ bản là: điện áp làm việc, dòng

điện tải và điều kiện tỏa nhiệt

 Khi mở máy, điốt chịu điện áp ngợc lớn nhất:

V 210 , 359

= 3

254 6

= U

3

E k

= U

max n

20 2 max n

Trong đó:

V 254

= E

; 6

=

Điện áp ngợc của điốt cần chọn:

V 578 , 646

= 210 , 359 8 , 1

= U

U k

= U

n

max n dtU n

Trong đó:

k dtU – hệ số dự trữ điện áp, chọn k dtU = 1,8.

 Khi mở máy, van chịu dòng điện lớn nhất Dòng điện hiệu dùng qua van:

A 485 , 36

= 82 , 0

819 , 51 3

1

= I

k

I k

= I k

= I

hd

2

mm 2 hd mm d hd hd

A 065 , 21

= 82 , 0

819 , 51 3

1

= I

k

I k

= I k

= I

v

2

mm 2 tb mm d tb v

Trong đó: k tb = 1/3;

Chọn điều kiện làm việc của điốt là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt; Không có quạt đối lu không khí, với điều kiện làm việc đó, dòng điện

định mức của điốt cần chọn:

A 407 , 67

= 065 , 21 2 , 3

= I

I k

= I

m

đ

v i m

- Ta tính chọn tiristor trong điều kiện làm việc nặng nề nhất, tức là vào đầu quá trình mở máy Dòng điện lớn nhất mà tiristor phải chịu:

A 194 , 63

= 82 , 0

819 , 51

= I

k

I

= I

max T

2

mm 2 max T

Chọn điều kiện làm việc của tiristor là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt; Không có quạt đối lu không khí, dòng điện định mức của van bán dẫn cần chọn:

A 220 , 202

= 194 , 63 2 , 3

= I

I k

= I

m

đ

max T i m

đ

- Điện áp ngợc lớn nhất mà tiristor phải chịu là điện áp trên điện trở R khi

mở máy:

V 044 , 630

= 97 , 9 194 , 63

= U

R I

= U

= U

max n

max T R max n

Từ các thông số Unv = 630,044V; Iđm = 202 , 220 Ata chọn hai tiristor loại SKT250/08C có các thông số sau:

• Dòng điện làm việc cực đại Iđm = 250A;

• Điện áp ngợc cực đại của van Un = 800V;

• Dòng điện đỉnh cực đại Ipik = 7000A;

• Dòng điện xung điều khiển Ig = 100mA;

• Điện áp xung điều khiển Ug = 3V;

• Dòng điện tự giữ Ih = 250mA;

• Dòng điện rò Ir = 50mA;

• Sụt áp trên van ở trạng thái dẫn ∆U = 1,05V;

• Độ biến thiên điện áp theo thời gian dU/dt = 200V/s;

• Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) tcm = 50às;

• Nhiệt độ làm việc cực đại Tmax = 1250C

1 Tính cuộn kháng lọc theo tác dụng thứ nhất

Sự đập mạch của điện áp chỉnh lu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lợng của dòng điện một chiều

Trong sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha, thành phần sóng hài bậc nhất (K = 1) có biên độ lớn nhất Biên độ của sóng càng cao sẽ càng giảm, tác dụng của cuộn kháng lọc với các thành phần hài bậc cao này càng hiệu quả hơn Vì vậy, khi tính cuộn kháng lọc với các sơ đồ chỉnh lu, ta chỉ cần tính theo thành phần sóng hài bậc nhất là đủ

Ta có khai triển Fourier của chỉnh lu cầu ba pha không điều khiển:

) t 18 cos 0062 , 0 + t 12 cos 014 , 0 - t 6 cos 057 , 0 + 1 ( U

= 3

073 , 0 254 34 , 2

= 3

s E 34 , 2

= 3

E 34 , 2

t 6 cos 428 , 1 u

t 6 cos 05 , 25 057 , 0 t 6 cos U 057 , 0 u

1

0 1

ω

=

ω

= ω

=

Ta chỉ xét với thành phần sóng hài bậc nhất, khi đó thành phần dòng điện xoay chiều:

t 6 sin L 6

428 , 1 i

dt t 6 cos 428 , 1 L

1 dt u L

1 i

1

1 1

ω ω

428 , 1 I

L f 2 6

428 , 1 L 6

428 , 1 I

m 1

m 1

π

=

π

= ω

=

Nh vậy:

m 1

3

I

10 76 , 0

3

I 1 , 0

10 76 , 0

Trong đó:

I d.đm – dòng điện định mức của bộ chỉnh lu

A 289 , 27

= 82 , 0

377 , 22

= k

I

= I

2

dm 2 dm d

Nh vậy:

mH 28 , 0 H 10 28 , 0 289 , 27 1 , 0

10 76 , 0

Lk = − 2 = − = −

Trong đó:

L 2 - điện cảm dây quấn một pha rôto

mH 95 , 1 H 10 95 , 1 314

611 , 0 X

ω

Hình 25 Biến thiên điện trở và dòng điện theo thời gian khi

điều chỉnh xung điện trở.

2 Tính cuộn kháng theo tác dụng thứ hai

Điện cảm của mạch rôto làm dòng điện trong rôto biến đổi theo quy luật hàm mũ

Do Imax và Imin là không đổi, do đó ta không thể điều khiển đợc hệ Khi trong mạch có điện cảm, khi tựa xác lập thì phơng trình dòng điện là:

T dd

t

d min

c = I + I - I ) e

i ( trong khoảng thời gian tc )

Trong đó :

I dd , I đc - là dòng xác lập ứng với trạng thái đóng và cắt của khóa K;

T đđ , T đc - là thời gian điện từ đóng và cắt của phần ứng khi khóa K đóng và cắt.

Khi trong mạch không có điện cảm, dòng điện tải trong mạch rôto sẽ có dạng xung nh sau:

37

2 dd

r 2

L

=

T ; T =2rL+R

2 dc

Tần số đóng, cắt tiristor T: fck là cố định, trong thực tế fck = 200 ữ 2000Hz

Ta chọn, fck = 1000Hz là giá trị phù hợp với khả năng đóng cắt của tiristor

Cuộn kháng L đợc tính để sao cho dc ) t ck

3

1 5

1 (

ck 2

3

1 R r 2

3

462 , 0 2 97 , 9 L

t 3

r 2 R

VI Tính chọn các phần tử khóa tiristor T

Các phần tử để khóa tiristor T bao gồm C, L1, D0 và T1 Trong đó T1 đã đợc tính ở phần trớc

0 A e U

T t 0

U u

K

e.U2U0

-t 0

K

=

693 , 0 T t

5 , 0 e

k

T -tK

=

=

s 10 15 , 72 693 , 0

10 50 693 , 0

= F 10 78

= 924 , 0

10 15 , 72

= C R

T

= C

6 - 6

1

2 4

1

= π

Víi t cm = 50µs = 50.10 -6 s; C = 78.10 -6 F.

mH 013 , 0 H 10 13 10

78

1 ) 10 50 2 ( L

C

1 ) t 2 ( L

6 6

2 6 1

2 cm 1

=

= π

=

π

=

-

-3 Tính chọn điốt D 0

Điốt làm việc nặng nề nhất là lúc mở máy, ta có trong mạch dao động L1, C:

2

2 L I 2

1 U C 2

1 = (*)

Trong đó:

V 154 , 343 3

254 34 , 2 U

3

E 34 , 2 U

13

154 , 343 10 78 I

L

U C I

6

2 6

-I = -Imax = 840A là dòng điện cực đại chạy qua điốt D0, và chỉ tồn tại trong khoảng thời gian là 1/4 chu kỳ mạch dao động L1, C hay nó chính là khoảng thời gian khóa của tiristor T1 Mặt khác, giá trị của nó giảm dần từ thời điểm mở máy

Giá trị trung bình lớn nhất của dòng điện qua điốt là:

A 42 10

10 50 840 I

t

t I I

3

6 tb

ck

cm max tb

=

=

=

-

-Ta chọn điốt D0 có dòng điện định mức:

A 4 , 134

= 42 2 , 3

= I k

=

Iđm i tb

Ta chọn điốt loại 1N3089 có các thông số nh sau:

• Dòng điện định mức của điốt Iđm = 150A;

• Điện áp ngợc cực đại Un =500V;

• Đỉnh xung dòng điện điốt chịu đợc Ipik = 3000A;

• Sụt áp trên điốt ∆U = 1,33V;

• Dòng điện thử cực đại Ith = 150A;

• Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp = 2000C

VII Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực

1 Sơ đồ động lực có các thiết bị bảo vệ

Sơ đồ động lực với đầy đủ thiết bị bảo vệ nh hình 18: