Chương 9. Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

Tổng hợp hệ điện cơ là môn học chuyên ngành của ngành Tự động hóa, đây có thể xem là kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngành và chuyên ngành. Trong nhiều năm qua, đã có khá nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến các kiến thức thuộc lĩnh vực này, tuy nhiên một giáo trình chuẩn và đầy đủ phù hợp với chương trình đào tạo kỹ sư điện chuyên ngành Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp của Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp còn thiếu. Để đáp ứng yêu cầu đào tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ, bộ môn Tự động hóa XNCN Khoa Điện tiến hành biên soạn giáo trình môn học Tổng hợp hệ điện cơ.

rotor dây quấn

9.1 Nguyên lý điều tốc nối cấp và các dạng cơ bản của nó

điện động pha của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi rotor đứng yên, hay gọi là sức điện động mạch hở, s.đ.đ định mức mạch rotor nếu đặt vào mạch stator điện áp xoay chiều với tần số

và giá trị điện áp bằng định mức

Khi đ a vào mạch rotor một sức

điện động phụ Eph điều khiển đ ợc và

mắc nối tiếp với sức điện động E2 của

R (sX )







động cơ đang làm việc ổn định với giá trị hệ số tr ợt s = s1 Sau khi

đ a sức điện động phụ ng ợc dấu vào, do mô men phụ tải là hằng

số, vế trái công thức (9.2) là hằng số (I2), vì thế hệ số tr ợt của

động cơ buộc phải tăng lên và ổn định với s=s2 (s2>s1), quan hệ

giữa s1, s2 và s.đ.đ phụ thỏa mãn biểu thức:

Đ a sức điện động phụ vào mạch rotor động cơ không đồng

bộ rotor dây quấn rõ ràng là có thể làm thay đổi tốc độ quay của

động cơ, nh ng do tần số của sức điện động cảm ứng E2 của mạch rotor động cơ điện thay đổi theo hệ số tr ợt, nên tần số của sức

điện động phụ Eph cũng buộc phải thay đổi theo tốc độ quay của

động cơ

9.1.2 Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động

điều tốc nối cấp

Để giải quyết vấn đề này một cách đơn giản nhất, trong hệ thống thực tế, đầu tiên điện áp xoay chiều trong mạch cuộn dây rotor động cơ đ ợc biến đổi thành sức điện động một chiều, sau đó

so sánh nó với sức điện động phụ một chiều, điều khiển giá trị biên độ sức điện động phụ một chiều là có thể điều chỉnh đ ợc tốc

độ quay của động cơ Nh vậy đã chuyển vấn đề thay đổi đ ợc tần

số và giá trị của s.đ.đ phụ xoay chiều sang vấn đề điều chỉnh giá trị của s.đ.đ phụ một chiều không liên quan gì đến tần số, làm cho việc phân tích và điều khiển dễ dàng đi rất nhiều

y0 = 0

y0 = x

y1 =

y4 = x+

điều tốc nối cấp

Hình 9.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động nối cấp động cơ

Ud2

Id

+ +

-

9.1.2 Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động

điều tốc nối cấp

Ud1 = Ud2 + IdR; K1sE20 =K2U2cos + IdR

trong đó: K1, K2 là các hệ số phụ thuộc vào loại sơ đồ bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2, khi BĐ1 và BĐ2 đều dùng chỉnh l u cầu 3 pha thì:

K1 = K2 = 2,34

Ud1 - điện áp chỉnh l u trung bình đầu ra của BĐ1;

U2 - giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp của máy biến áp nghịch

l u BA;

Ud2 - điện áp nghịch l u trung bình đầu ra của BĐ2;

 - góc điều khiển nghịch l u của BĐ2;

R - điện trở t ơng đ ơng của mạch rotor quy đổi về phía một chiều một chiều

T¶i c¬

häc

CK2

H×nh 9.4: HÖ thèng ®iÒu thèng nèi cÊp ®iÖn lùc thêi kú ®Çu

9.2 Chất l ợng hệ thống điều tốc nối cấp

9.2.1 Đặc tính cơ của hệ thống điều tốc nối cấp

Ph ơng trình cân bằng sức điện động của mạch điện một chiều phía rotor khi làm việc không tải lý t ởng:

2 0

20

s E U cos

U coss

E





Trong đó s0 là hệ số tr ợt không tải lý t ởng, U2 là điện áp hiệu dụng

thứ cấp máy biến áp nghịch l u BA.

Có thể thấy, với các góc  khác nhau, đ ờng cong Mđt=f(s) khi điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ là gần nh song song,

t ơng tự nh đ ờng đặc tính cơ của điều tốc điều áp động cơ điện một chiều

0 -s

s0=0.2

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ

s0=0.4

s0=0.6

s0=0.8

s0=0, =90 0

Hình 9.6: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc

nối cấp a) động cơ lớn; b) động cơ bé

b)

* đt

đt

M

min là góc nghịch l u khi làm việc với hệ số tr ợt cực đại, lúc này góc nghịch l u nhỏ nhất th ờng chọn: min = 300

y0 = 0

y0 = x

y1 =

y4 = x+

9.2.3 Dung l îng (c«ng suÊt) thiÕt bÞ ®iÒu tèc nèi cÊp

Dung l îng cña m¸y biÕn ¸p nghÞch l u lµ:

Hình 9.7: Phân tích hiệu suất hệ thống điều tốc nối cấp

a) H ớng đi của công suất hệ thống điều tốc nối cấp

b) Biểu đồ năng l ợng hệ thống

9.2.4 HiÖu suÊt cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp:

thèng ®iÒu tèc nèi cÊp ®iÖn lùc vµ ®iÒu tèc ®iÖn trë phô trong m¹ch rotor

20 40 60 80 100  (%)

0

nc

R

b) Tr¹ng th¸i lµm viÖc thø hai:

9.3.1 Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh l u rotor động cơ

không đồng bộ: b) Trạng thái làm việc thứ hai:

3 X



UD, UT là sụt điện áp trên mỗi đi ôt chỉnh l u và tiristor,

th ờng chọn UD = UT , cũng có thể bỏ qua;

XD0 là điện kháng tản trên mỗi pha của động cơ không

đồng bộ chuyển đổi về phía rotor khi s =1, ;

KD là tỷ số số vòng quấn của cuộn dây mỗi pha trên stator và rotor;

RCK là điện trở của bộ điện kháng san bằng dòng điện trong mạch một chiều CK;

RD là điện trở t ơng đ ơng mỗi pha động cơ quy đổi về phía rotor, RD= R2+ sR'1 Khi R1 rất nhỏ, có thể coi RD= R2;

XBA là điện kháng tản t ơng đ ơng trên mỗi pha của máy biến áp nghịch l u quy đổi về phía thứ cấp:

XBA = X'BA1+ XBA2; RBA là điện trở t ơng đ ơng mỗi

XBA là điện kháng tản t ơng đ ơng trên mỗi pha của máy biến

áp nghịch l u quy đổi về phía thứ cấp, XBA = X'BA1+ XBA2;

RBA là điện trở t ơng đ ơng mỗi pha máy biến áp nghịch l u quy đổi về phía thứ cấp, RBA = R'BA1+ RBA2

3 2,34U cos I ( X 2R 2R R ) s

3 2,34E cos X I

n





Với:

Gi¶ thiÕt: U = 2.34(E20cosp – U2cos)

Để tìm mô men điện từ của động cơ không đồng bộ trong

hệ thống điều tốc nối cấp, có thể bắt đầu từ quan hệ công suất Pscủa mạch điện chỉnh l u rotor

s

3X 1

0

2 20 đt.2m

9 3EM

D0

3EI

2X



Dựa vào cách chứng minh trên, có thể rút ra đ ợc hệ thức:

Giao tiếp giữa vùng làm việc thứ I và thứ II chính là điểm làm việc giới hạn của sơ đồ chỉnh l u rotor, khi bắt đầu phát sinh hiện t ợng c ỡng bức mở chậm các van Mô men tại điểm này gọi là mô men chuyển tiếp Mđt.1-2 Chỉ cần lấy điều kiện = 60o, p= 0o

thay vào công thức (9.25) và (9.14) , là có thể tìm đ ợc:

2 20 đt.1 2

27EM



20 d.1 2

D0

6E I

4X

 

đt.2m đt.1m

M

0,866

đt.1 2 đt.1m

M

0,75 M

 

1 M

 



đt.1m đt.m

M

0,955

đt.2m đt.m

M

0,826

đt.1 2 đt.m

M

0, 716 M

 

Đ ờng đặc tính cơ

ban đầu

vùng làm việc thứ II

0 n0

s10

Chế độ dòng gián đoạn

Hình 9.13 Đ ờng đặc tính cơ của động cơ

không đồng bộ khi điều tốc nối cấp điện lực

đt đt.m

M M

trong đó s1m= s1m- s10 là số gia hệ số tr ợt của động cơ không

đồng bộ từ không tải lý t ởng đến mô men cực đại tính toán;

s1 = s - s10 là số gia của hệ số tr ợt do phụ tải gây ra;

2m 2 đt.1m

U cos s

để tính toán xuất hiện trong quá trình biến đổi toán học mà thôi Biểu thức thông dụng về đ ờng đặc tính cơ:

2

m 2

9.4 Hệ thống kín điều tốc nối cấp với hai mạch vòng

Do hệ số tr ợt đặc tính tĩnh của hệ thống điều tốc nối cấp là khá lớn, cho nên hệ thống điều khiển mạch hở chỉ đ ợc dùng vào tr ờng hợp độ chính xác điều tốc yêu cầu không cao Để nâng cao

độ chính xác điều tốc trạng thái tĩnh và để nhận đ ợc đặc tính động tốt hơn, có thể dùng điều khiển phản hồi Cũng giống nh hệ thống

điều tốc một chiều, th ờng dùng ph ơng thức điều khiển hai mạch vòng kín là phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ quay

+ -

Trong hệ thống trên hình 9.14, bộ chỉnh l u có điều khiển,

bộ điều chỉnh và sơ đồ cấu trúc trạng thái động của khâu phản hồi giống nh trong hệ thống điều tốc một chiều, vì thế ở đây không trình bày lại Nh ng một phần mạch điện một chiều rotor của động cơ vì có liên quan tới hệ số tr ợt nên phải xử lý riêng

9.4.2.1 Hàm số truyền của mạch một chiều rotor

Dựa vào sơ đồ t ơng đ ơng nh trên hình 9.12 có thể đ a ra ph

ơng trình cân bằng điện áp trạng thái động của mạch điện một chiều rotor trong hệ thống điều tốc nối cấp:

điện một chiều rotor;

LD0: Điện cảm tản của mỗi pha động cơ tính chuyển đổi về phía rotor;

LBA: Điện cảm tản của mỗi pha máy biến áp nghịch l u tính chuyển đổi về phía thứ cấp;

LCK: Điện cảm của cuộn kháng san bằng;

R: Điện trở t ơng đ ơng của mạch điện một chiều rotor khi hệ số

Biến đổi Laplace cho hai vế của biểu thức (*), có thể tìm đ

ợc hàm số truyền cho mạch điện một chiều rotor:

(*)

9.4.2.1 Hàm số truyền của mạch một chiều rotor

Hình 9.15: Sơ đồ cấu trúc mạch điện một chiều rotor

U n

Lr

Lr

K

Cần phải chỉ ra rằng hằng số thời gian TLr và hệ số khuếch

đai KLr trong hàm số truyền của mạch điện một chiều rotor trong

hệ thống điều tốc nối cấp đều là hàm số của tốc độ quay n, chúng không phải là hằng số xác định

375 C





9.4.2.3 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống

Hình 9.16: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều tốc

Bộ

đặt dòng

điện

Bộ

điều chỉnh dòng

điện

Bộ nghịch

l u tiristor

Phản hồi âm tốc độ quay Bộ tổng hợp tín hiệu phản hồi tốc độ

K

T s 1 

d0 0

U n

M

K s

fi oi

K

T s 1 

fn on

9.4.3 Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc

9.4.3.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện

Bộ điều chỉnh dòng điện có thể thiết kế theo hệ thống điển hình loại I hoặc hệ thống điển hình loại II Nếu thiết kế theo hệ thống loại I sẽ có đặc điểm là độ tác động nhanh cao, l ợng quá

điều khiển nhỏ, còn theo hệ thống loại II thì có khả năng chống nhiễu tốt Dựa vào yêu cầu chung, mạch vòng dòng điện th ờng thiết kế theo hệ thống điển hình loại I Theo sơ đồ hình 9.16 có thể viết ra hàm số truyền mạch hở của mạch vòng dòng điện là:

9.4.3 Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc

9.4.3.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện

là hàm số truyền của bộ điều chỉnh dòng điện;

T s 1 

9.4.3.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện

Hàm số truyền đ ợc biểu diễn bằng công thức trên, nếu chọn đúng các tham số (chẳng hạn lấy i =TLr) chính là cấu trúc của hệ thống điển hình loại I Nh ng bởi vì tính bất định của TLr, nên cách làm thông th ờng ấy là không thể chấp nhận đ ợc

Trong công thức trên, nếu trị số TLr khá lớn, và thoả mãn

điều kiện TLr > hTi (h là độ rộng trung tần), thì có thể chọn i=hTi, khi đó có thể thiết kế mạch vòng dòng điện theo hệ thống điển hình loại II Có thể chứng minh nh sau:

Do TLr là khá lớn, có thể coi gần đúng hàm số truyền của mạch điện chính một chiều nh là một khâu tích phân, công thức hàm truyền mạch vòng dòng điện có thể viết thành:

9.4.3 Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc

9.4.3.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện

kế hệ theo hệ thống điển hình loại I Dựa vào việc phân tích các t liệu và số liệu thực nghiệm liên quan đã cho thấy lúc đó có thể dựa vào cận d ới của phạm vi điều tốc, tức là xác định giá trị của

KLr và TLr theo s0max, hoặc theo s0max/2, sau đó coi mạch vòng dòng

điện là hệ thống xác lập để đi thiết kế các tham số bộ điều chỉnh dòng điện

9.5 Hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ

Hệ thống điều tốc nối cấp ở phần trên đã khảo sát thực hiện điều tốc bằng cách lợi dụng điện áp nghịch l u sinh ra trong thiết bị điều tốc nối cấp để điều khiển công suất tr ợt trong rotor

động cơ không đồng bộ Lúc này công suất tr ợt từ đầu ra của rotor đi qua thiết bị điều tốc nối cấp chuyển trả về l ới điện, động cơ làm việc ở trạng thái động cơ Chúng ta gọi hệ thống điều tốc

này là hệ thống điều tốc nối cấp thứ đồng bộ Khác với hệ thống

đó còn có hệ thống điều tốc siêu đồng bộ, nó không những khống

chế ph ơng chiều truyền tải công suất mà còn có thể nhận đ ợc các trạng thái làm việc khác nhau của hệ thống điều tốc nối cấp và trạng thái làm việc khác nhau của động cơ

9.5.1 Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ

Trong hệ thống điều tốc nối cấp đã xét, BĐ1 là không điều khiển, nó chỉ có thể tiếp nhận công suất tr ợt từ phía xoay chiều (mạch rotor động cơ) và truyền sang phía một chiều và sau đó đ

ợc đ a trở lại mạng điện Nếu BĐ1 là chỉnh l u có điều khiển, có thể làm cho nó làm việc ở trạng thái chỉnh l u hoặc nghịch l u, t ơng ứng

nó có thể tiếp nhận công suất tr ợt từ phía rotor của động cơ hoặc cấp công suất tr ợt cho rotor Khi BĐ1 làm việc ở chế độ nghịch l u truyền công suất tr ợt cho rotor động cơ, còn stator động cơ vẫn tiếp nhận công suất từ l ới điện, thì công suất đầu ra trên trục động cơ là P2= P1+ Ps (giả thiết bỏ qua tất cả các

9.5.1 Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ

thất trong động cơ) Muốn thỏa mãn quan hệ này, hệ số tr ợt s phải là âm, nghĩa là động cơ phải làm việc v ợt quá tốc độ đồng

bộ, lúc này cả rotor và stator đều tiếp nhận điện năng và biến đổi

thành cơ năng trên trục động cơ, động cơ ở vào trạng thái “rotor

và stator song hồi”, nh ng vẫn làm việc ở trạng thái động cơ Do

tác dụng song hồi của stator và rotor đã làm tăng công suất đầu

ra trên trục động cơ v ợt cả công suất định mức ghi trên nhãn mác của nó Đây là một u điểm của ph ơng pháp này Các hệ thống

điều tốc nối cấp có thể đ a công suất vào từ phía rotor đều có tên chung là hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ

9.5.1 Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ

Lúc này bộ chỉnh l u BĐ1 phía rotor của hệ thống buộc phải

là có điều khiển, và làm việc ở trạng thái nghịch l u, còn bộ chỉnh l

u có điều khiển BĐ2 ở phía máy biến áp BA làm việc ở chế độ

chỉnh l u Cần phải hết sức chú ý: không phải dựa vào động cơ làm

việc ở phía trên hay phía d ới tốc độ quay đồng bộ để phân biệt là

điều tốc nối cấp siêu đồng bộ hay điều tốc nối cấp thứ đồng bộ,

mà phân theo ph ơng h ớng truyền công suất của rotor

E cos







điện áp này đã đổi chiều) Động cơ sẽ tiếp nhận công suất từ phía rotor, hệ thống ở vào trạng thái làm việc điều tốc nối cấp siêu “điều tốc nối cấp siêu

đồng bộ thấp hơn tốc độ quay đồng bộ.” thấp hơn tốc độ quay đồng bộ.

Bây giờ hãy phân tích trạng thái làm việc hiện tại của động

cơ không đồng bộ Mô men điện từ của động cơ ,

nếu lấy công suất tr ợt ở đầu ra của rotor khi động cơ làm việc ở

trạng thái động cơ là d ơng , mô men điện từ d ơng là mô men “điều tốc nối cấp siêu ” thấp hơn tốc độ quay đồng bộ.

động cơ, hiện tại do sự đổi chiều của công suất tr ợt làm cho mô

men điện từ cũng thành giá trị âm, điều đó chứng tỏ mô men mà

động cơ sinh ra là mô men hãm, tức là lúc này động cơ ở vào

trạng thái hãm 1> s1 >0,

s đt

o

P 1M

s

 



đồng bộ

đồng bộ

P tổng công suất tác dụng hệ thống nhận đ ợc từ l ới điện;– tổng công suất tác dụng hệ thống nhận được từ lưới điện;

S – tổng công suất toàn phần của hệ thống;

P1– công suất tác dụng của động cơ điện nhận đ ợc từ l ới điện;

PF – công suất tác dụng qua bộ nghịch l u phản hồi về l ới điện;

Q1– công suất phản kháng của động cơ điện tiếp nhận từ l ới điện;

QF – công suất phản kháng phía máy biến áp nghịch l u tiếp nhận từ l

ới điện.

9.6 Một số vấn đề đặc biệt của hệ thống điều tốc nối cấp

9.6.1 Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và ph ơng h ớng nâng cao hệ số công suất của nó

y0 = 0

y0 = x

y1 =

y4 = x+

ớng nâng cao hệ số công suất của nó

Thông th ờng hệ số công suất khi hệ thống điều tốc nối cấp làm việc ở tốc độ cao là 0,60,65, giảm khoảng 0,1 so với hệ số công suất của động cơ điện khi nối dây thông th ờng, khi ở tốc độ thấp có thể giảm xuống tới 0,4  0,5 (đối với hệ thống phạm vi

điều tốc là 2:1)

9.6.1.1 Phép phân tích đồ thị hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp

(1) Mô men tải trên trục động cơ là hằng số;

(2) Không xét tới các tổn thất của hệ điều tốc nối cấp;

(3) Cho tr ớc công suất tác dụng và công suất phản kháng của động cơ nhận từ l ới điện