Thiết kế điều khiển tốc độ động cơ dị bộ xoay chiều ba pha với mạch động lực sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều khi không cần đảo chiều quay

Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Thiết kế điều khiển tốc độ động cơ dị bộ xoay chiều ba pha với mạch động lực sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều khi không cần

Lời mở đầu

Nước ta đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiện đạihoá Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh me cácthành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất laođộng cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.Tự độnghoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nângcao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc mà hơnnữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng nhưtoàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết về điềukhiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lýđiều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Sự bùng nổ tiến bộ

kĩ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử -tin học những năm gần đây đã dẫn đến nhữngthay đổi sâu sắc cả về mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động.Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các bộ biến đổi điện tửcông suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối vớicác mạch điều khiển dùng vi điện tử, vi xử lí Phần lớn các mạch điều khiển nàydùng kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúctham số hoặc điều khiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh và độ chính xác cao cho

hệ truyền động Điều này dẫn đến việc chuẩn hóa chế tạo các hệ truyền động hiệnđại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu côngnghệ sản xuất

Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Thiết kế điều khiển tốc độ động cơ dị bộ xoay chiều ba pha với mạch động lực sử dụng bộ biến đổi điện

áp xoay chiều khi không cần đảo chiều quay” dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương.

Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy cuốn bài tập lớn này chắc chắnkhông khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận đượcý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để cuốn bài tập lớnnày hoàn thiện hơn !

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG

- Động cơ dị bộ( không đồng bộ) xoay chiều ba pha là máy điện xoay chiều ,làmviệc theo nguyên lý cảm ứng điện từ , có tốc độ của rotor khác với tốc độ từtrường quay trong máy

- Động cơ dị bộ xoay chiều ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vìchế tạo đơn giản , giá rẻ , độ tin cậy cao , vận hành đơn giản , hiệu suất cao , và gầnnhư không cần bảo trì Dải công suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000hp Các động

cơ từ 5hp trở lên hấu hết là ba pha còn động cơ nhỏ hơn 1hp thường là một pha

1.2 CẤU TẠO

- Giống như các loại máy điện quay khác ,động cơ dị bộ xoay chiều ba pha gồm cócác bộ phận chính sau :

+ phần tĩnh hay còn gọi là stato

+ phần quay hay còn gọi là roto

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ dị bộ xoay chiều ba pha

Mỗi lõi thép kỹ thuật điện đềucó phủ sơn cách điện trên bềmặt để giảm hao tổn do dòngđiện xoáy gây nên .Nếu lõithép ngắn thì có thể ghépthành một khối nếu lõi thépquá dài thì ghép thành những

tấm ngắn mỗi tấm thép dài từ 6 đến 8 cm đặt cách nhau 1cm để thông gió chotốt Mặt trong cùa lá thép có sẽ rảnh để dặt dây quấn

1.2.1.3 Dây quấn:

Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõithép Dây quấn phấn ứng là phần dây bằng đồng được trong các rãnh phần ứng vàlàm 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 dổi năng lượng từ điện năng thành cơ

Hình 1.2 tấm thép hình rẻ quạt

năng Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá caotrong toàn bộ giá thành của máy

+ 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 momentcần thiết đồng thời đảm bảo đổi chiều tốt

- Triệt để tiết kiệm vật liệu , kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn

- Dây quấn phấn 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 cở lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và song

1.2.2 Phần quay ( hay ROTOR )

Phần này gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor:

1.2.2.1 Lõi thép :

Nói chung người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator lõi thép được éptrực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có sẽrãnh để đặt dây quấn

1.2.2.2 Dây quấn ROTOR:

Phân loại làm hai loại chính rotor kiểu dây quấn va roto kiểu lồng sóc:

- Loại rotor kiểu dây quấn : rotor kiểu dây quấn (hình 1.3 ) cũng giống như dâyquấn ba pha stator và có cùng số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu này luônđấu hình sao ( Y ) và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor vàcách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện

và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động Cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc

độ

Hình 1.3 : rotor kiểu dây quấn

Rotor kiểu lồng sóc ( hình 1.4 ) : Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặttrong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu Với động cơnhỏ ,dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn , vành ngắn mạch, cánhtản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kw thanh dẫn làmbằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch

1.2.3 Khe hở:

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều , khe hở trong máy điện không đồng bộrất nhỏ ( từ 0,2mm đến 1mm trong máy điện cở 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

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khísuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện ; p là số cặpcực ; tốc độ từ trường quay ) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắnmạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I2 chạy qua Từ thông do dòng điệnnày sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điệntrong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tác dụng đó cóquan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor Trong những phạm vi tồc độ khácnhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Sau đây ta sẽ nghiên cứu tácdụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ

Hệ số trượt s của máy :

s = =

Như vậy khi n = n1 thì s = 0 , còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n > n1 ,s < 0 và rotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1

1.4.1 ROTOR quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n 1 ( 0 < s < 1)

Giả thuyết về chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ và của rotor n như hình 1.5a.Theo quy tắc bàn tay phải , xác đinh được chiều sức điện động E2 và I2 ; theo quytắc bàn tay trái , xac định được lực F và moment M Ta thấy F cùng chiều quay củarotor , nghĩa lá điện năng đưa tới stator , thông qua từ truờng đã biến đổi thành cơnăng trên trục quay rotor theo chiều từ trường quay n1 , như vậy đông cơ làm việc ởchế độ động cơ điện

1.3.2 ROTOR quay cùng chiều nhưng tốc độ n > n 1 (s < 0)

bộ n > n1 Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại , sứcđiện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều nên chiềucủa M cũng ngược chiều n1 , nghĩa là ngược chiều với rotor , nên đó là moment hãm( hình 1.5b ).Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện ,do động

cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện ,nghĩa là động cơ làm việc ởchế độ máy phát

1.3.3 ROTOR quay ngược chiều từ trường n < 0 (s > 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ trường quayhình 1.5c , lúc này chiều của sức điện động và moment giống như ở chế độ động

cơ Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor lại Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào , vừa lấy cơ năng từ động

cơ sơ cấp Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ

1.4 CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG DỒNG BỘ

Đặc tính tốc độ n = F(P2)

Theo công thức hệ số trượt ,ta

có :

n = n1(1-s)

Trong đó : s = Khi động cơ

không tải Pcu << Pdt nên s ~ 0

động cơ điện quay gần tốc độ

đồng bộ n ~ n1 Khi tăng tải thì

tổn hao đồng cũng tăng lên n

giảm một ít , nên đường đặc tính

Đặc tính hệ số công suất cos = f(P2)

Vì động cơ luôn luôn nhận công suất phản kháng từ lưới Lúc không tải cos rất thấp thường < 0,2 Khi có tải dòng điện I2 tăng lên nên cos cũng tăng

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ xoay chiều ba pha1.5.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi điện áp

1.7.1.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh

Để điều chỉnh điện áp ta dùng bộ biến đổi BĐ có tín hiệu điện áp ra thay đổi theotín hiệu điều khiển như sơ đồ nguyên lý sau

§

Rc®

U 2 = var

U ®kHình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp

1.5.1.2 Đặc tính cơ trong điều chỉnh

*Nếu bỏ qua tổng trở nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch rotor

- Điện áp nguồn thay đổi ta thu được một họ đặc tính điều chỉnh có độ trượt tới hạn giữ nguyên còn Mth thay đổi tỉ lệ với U2

Để cải thiện đặc tính điều chỉnh và làm giảm mức phát nóng của máy điện người ta nối thêm một điện trở Rcđ vào mạch roto Khi điện áp đặt vào stato là định mức thì

ta thu được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, ta gọi nó là đường đặc tính giới hạn thgh th

cd th

R

R R s

Mth , sth : mô men và độ trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên

Khi điện áp đặt vào khác định mức , mô men tới hạn Mth.u sẽ thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp còn độ trượt tới hạn sth.u thì không đổi

const s

s

U M U

U M

M

thgh u th

thgh dm

thgh u

2 1 1

2 2 1

2 1 1 2

2 1

2 1 1 0

2

2 2 1

2 1 2

) (

) (

) (

2

3

) (

(

X X R R

X X R R M X

X R R

U M

X X R

R R s

t t t

th t

t t thgh

t t

cd thgh

thgh

thgh thgh

gh

s a s

s s

s

s a M

M

, , 2

) 1

( 2

cd

t R R

R

a





1.5.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn f1

1.5.2.1 Khái niệm chung

Xuất phát từ biểu thức ( 1 ) 2 1 ( 1 )

 , 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 :

§

U2 , f2 = var

U®kHình 1.10 Sơ đồ điều chỉnh tần số

Do máy điện được thiết kế để làm việc với một tần số nhất định nên việc thayđổi tần số sẽ làm ảnh hưởng đến chế độ công tác của máy điện

1

1 ' 1

1 1

1

1 1 1 1 1

f

U C Cf

U U

f C

Z I U f C E

Nếu ta giảm tần số f1 thì từ thông Φ sẽ tăng lên , điều này sẽ làm đốt nóng lõithép và làm cho hiện tượng bão hoà từ trong máy tăng lên

Như vậy đối với phương pháp thay đổi tần số thì khi điều chỉnh tần số thì ta cũngphải thay đổi U1 cho phù hợp nhằm mục đích giữ cho Φ là không đổi

1.5.2.2 Quy luật thay đổi tần số

Khi tiến hành điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải về mô men là một hằng số

thì chế độ làm việc của máy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như khi làmviệc với tải định mức

Như vậy khi điều chỉnh ta cần phải luôn thoả mãn điều kiện : M M const

2 1 1

' 2 1 1 0

2 1

) (

4

3 )

( 2

3

f C C p

U f

x f x

2 1 2

1

' 2 1

2 1

c

th

M f

U A M

f C C p

U M

x dm c

p M M

M p

f

1 1

.

1 0

) 2 (

) (

x c

th

f

U B

A M

(2 )

1

) 2 ( 1 2 1

2 1 )

2 ( 1

2 1 ) 2 ( 1

2 1

x x

dm x

x

dm

f

f U

U f

U f

1

x dm

x

dm f

f U

1.5.2.3 Các đặc tính điều chỉnh

Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số không những phụ thuộc vào f1 màcòn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp , nghĩa là phụ thuộc vào đặc tính tải Khi sử dụng quy luật điều chỉnh điện áp gần đúng thì mô men tới hạn của đặc tónhđiều chỉnh cũng được xác định gần đúng Khi tần số và điện áp là định mức thì mômen tới hạn sẽ là

4 ( )

3

' 2 1

2 1

2 1

C C f p

U M

dm

dm dm





f

U M

M th th dm và thay 

1

U bằng quy luật biến thiên

vừa xác định được ta sẽ có x

dm th

' 2 1 1

' 2

f

s f C f C

R

th

Trong đó sth.đm là độ trượt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên

Như vậy khi biết số liệu của đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ của máy sản xuất tacó thể xác định được Mth và sth của động cơ tại bất kỳ tần số nào Cuối cùng sửdụng phương trình:

s

s s s

M M

th th

Hình 1.11 Các dạng đường đặc tính cơ ứng với các phụ tải khác nhau

Trên thực tế họ đặc tính này đều thoả mãn điều kiện M M const

- Độ cứng của đặc tính cơ cũng phụ thuộc vào tần số điều chỉnh và đặc tính của mômen cản Để đơn giản trong tính toán ta coi đoạn làm việc của đặc tính cơ làđường thẳng và có phương trình







Thay các giá trị của Mth và sth vào ta có các đặc tính điều chỉnh tương ứng

1.5.3 Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ

Trong công nghiệp có 2 loại biến tần chính là biến tần nguồn áp và nguồn dòng Biến tần nguồn áp được sử dụng rộng rãi hơn Đối với động cơ không đồng bộ thìđộng cơ lồng sóc có kết cấu vững chắc , chi phí bảo dưỡng ít hơn nên được ưu tiên

sử dụng

1.5.3.1 Chuyển mạch của biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ ba pha

Sơ đồ mạch động lực của một biến tần nguồn áp như sau :

Nguyên lý của việc tạo điện áo xoay chiều ba pha đối với một bộ biến tần nguồn

áp được chỉ ra trên đồ thị (Hình 2)

Đồ thị mô tả qui luật chuyển mạch của các khoá bán dẫn để tạo thành điện áp xoaychiều ba pha , mỗi kháo dẫn trong khoảng một nửa chu kỳ chuyển mạch Điện ápdây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng xung là 2/3 chu kỳ và thoảmãn điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa

U d

I d

Hình 3Dạng điện áp và dòng điện này không phù hợp với động cơ không đồng bộ , mặtkhác biên độ điện áp là cố định và không điều chỉnh được nên trong các bộ biến tầnphải thực hiện các thật toán điều chế

Ta có logic chuyển mạch đơn giản như trên hình vẽ

Hình 4Điện áp pha có dạng bậc thanh và dòng điện có dạng không sin việc cải thiện đặctính ra của biến tần phụ thuộc vào hai yếu tố chính :

+ Điều chỉnh giá trị điện áp

+ Tối thiểu hoá các thành phần sóng hài

1.5.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

I Nguyên lý điều chỉnh

- Khi thay đổi số đôi cực của máy điện KĐB , tốc độ từ trường quay thay đổi do đótốc độ của roto cũng thay đổi theo Quan hệ đó được thể hiện theo biểu thức :

1 0

2(1 s) f (1 s)

+ Dùng 2 tổ dây quấn stato riêng biệt , mỗi tổ có số đôi cực riêng

+ Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm 2 đoạn , thay đổicách nối dây giữa 2 đoạn đó ta sẽ thay đổi được số đôi cực

- Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổdây quấn stato Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đoi cực theo cách hỗnhợp Những loại động cơ kiểu này thường là loại động cơ lồng sóc

- Ta khảo sát phương pháp thay đổi số đôi cực bằng cách thay đổi cách đấu dây ởstato :

Giả sử ta có một tổ đấu dây ở stato gồm 2 đoạn , mỗi đoạn là một phần tử dâyquấn , nếu ta đấu nối tiếp hai đoạn đó thuận cực nhau thì số đoi cực sẽ là p = 2 , cònnếu ta đấu nối tiếp ngược cực hoặc song song ngược thì p = 1

Như vậy bằng cách đổi nối đơn giản ta đã điều chỉnh được tôc độ động cơ từ tốc độ ω)0

II Cách đổi nối trên thực tế

Trong thực tế việc đổi nối cách cuộn dây được thực hiện theo 2 cách : Hình sao → sao kép ( Y → YY ) và tam giác → sao kép (Δ → YY )

1 Đổi nối hình tam giác → sao kép (Δ → YY )

Sơ đồ đổi nối có dạng như sau

Để dựng các đặc tính điều chỉnh cần phải xác định các trị số Mth , sth và ω)0 với cáccách đấu dây

- Khi nối hình Δ do hai cuộn dây mắc nối tiếp nhau nên ta có R1 = 2r1 ; X1 = 2x1 và