Thiết kế bộ điều chỉnh ổn định tốc độ quạt thông gió động cơ không đồng bộ rotor ngắn mạch

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiện nay vẫn còn là một vấn đềcha đợc giải quyết triệt để bởi mỗi phơng pháp chỉ thoả mãn một yêu cầu ,một phạm vi nào đấy , nó vẫn có những hạn c

Đề 12:

Thiết kế bộ điều chỉnh & ổn định tốc độ quạt thông gió- động cơ không đồng

bộ Rotor ngắn mạch Mạch có bảo vệ mất pha lới và chống quá tải lâu dài.

Thông số

Công suất động cơ 100kW

Điện áp định mức 380/220V.Cos φ 0.81.Hiệu suất 0.84.Phạm vi điều chỉnh tốc độ 3:1

II Các ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ quạt thông gió.

II.1 Phơng pháp thay đổi số đôi cực

II.2 Phơng pháp thay đổi tần số

II.3 Phơng pháp thay đổi điện áp

III.3.2 Tính chọn thiết bị bảo vệ

IV Thiết kế mạch điều khiển

IV.1 Các phơng pháp & lựa chọn phơng pháp điều khiển

IV.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển

IV.3 Tính toán các khâu mạch điều khiển

IV.3.1 Khâu đồng pha

IV.3.2 Khâu điện áp tựa (răng ca)

IV.3.3 Khâu so sánh và tạo xung

IV.3.4 Khâu tách xung

IV.3.5 Khâu khuếch đại xung

IV.3.6 Nguồn cung cấp một chiều

IV.3.7 Khâu tạo điện áp điều khiển

V Thiết bị bảo vệ mất pha l ới

I.1 Quạt thông gió

I.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ

I.3 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

II.3 Tải quạt thông gió:

Trong mỗi trờng hợp ứng dụng động cơ KĐB vào thực tế mà có các đờng

đặc tính cơ khác nhau đối với từng loại tải

đm

Mco Mcđm M

Quạt gió là một trong những thiết bị sử dụng rôto lồng sóc , nó thờng dùng

độc lập để thông thoáng khí cho nhà riêng , xởng sản xuất, đặc biệt tronghầm mỏ, tuỳ từng trờng hợp mà nó có công suất khác nhau

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiện nay vẫn còn là một vấn đềcha đợc giải quyết triệt để bởi mỗi phơng pháp chỉ thoả mãn một yêu cầu ,một phạm vi nào đấy , nó vẫn có những hạn chế nhất định

Vì vậy ta sử dụng dộng cơ KDB rôto lồng sóc làm đồng cơ kéo tải

Là quạt thông gío,vá trong khuôn khổ đồ ân này ta sẽ nghiên cứu các phơng phấp khác nhau để điẻu chỉnh và ổn định tốc độ động cơ

- Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện

áp đặt ở stato động cơ

- Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép

- Điện áp lới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha

Trong sơ đồ :

+ U1 : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

+I0, I1, I2: Các dòng điện từ hoá, stato và roto đẫ qyy đổi vềstato

+X0 , X1, X'2: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato

và rôto đẫ qui dổi về stato

1 1

nm X s

R R X

Trong đó : Xnm=X1+ X'2: Điện kháng ngắn mạchBiểu thức (1) là phơng trình đặc tính của dòng điện stato

+ Khi  = 0, s = 1 thì I1 = Inm

+ Khi  =  1, s =1 thì I1= 2

0

2 0

1

X R

U

 = I0 + I1nm : dòng điện gnắn mạch stato

+ I0 : Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trờng quay khi động cơ quayvới tốc độ đồng bộ

Ta cũng tìm đợc dòng điện roto qui đổi về stato

I'2I'

nm

2 =

 ' 2 2 2

1

1 /s X nm R

2

X'2

R1

R0

U1

I1

R'

2/ s

I2

I0

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ

Trong đó : Mđt : là mô men điện từ của động cơ

Bỏ qua các tổn thất phụ thì : Mđt= Mcơ = M

Công suất đó chia làm hai phần :

Pcơ : Công suất cơ đa ra trên trục động cơ

P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto

P12 = Pcơ + P2  M  1 = M  +P2

Do đó : P2 = M.( 1-) = M. 1.s

Mặt khác : P2 = 3.I' 2

2 R' 2

 M =

1

' 2 2 ' 2

s

R I 3



s

R R

R U

nm .

3

2

2 ' 2 1 1

' 2

2 1

































 (3)

Xác định cực trị bằng cách tính 0 ds dM  Từ đó suy ra : + sth = 2 nm 2 1 ' 2 X R R  + Mth = ) X R R ( 2 U 2 nm 2 1 1 1 2 f 1    (4)

Thay (3) vào (4) ta có : M =   th th th th th s a s s s s s a 1 M 2    Trong đó : a = ' 2 1 R R s Sth

Mth M

Hình 1.2 : đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Từ phơng trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hởng tới đặc tính cơ:

- ảnh hởng điện trở, điện kháng mạch stato

- ảnh hởng điện trở mạch rôto.

- ảnh hởng của điện áp lới cấp cho động cơ

- ảnh hởng của tần số lới cấp cho động cơ f1

II.1 Phơng pháp thay đổi số đôi cực

II.2 Phơng pháp thay đổi tần số

II.3 Phơng pháp thay đổi điện áp

II.4 Lựa chọn phơng pháp

Nhận xét về động cơ KĐB: Chắc chắn, rẻ tiền Tuy nhiên vần đề điều chỉnhtốc độ cha tốt Cho tới nay đã có nhiều phơng pháp đợc đa ra để điều chỉnhtốc độ động cơ không đồng bộ nhng mỗi phơng pháp đều có u khuyết điểmcủa nó mà cha giải quyết đợc toàn bộ vấn đề nh năng lợng tiêu thụ, phạm vi

điều chỉnh, thiết bị sử dụng Có 2 hớng tác động để điều chỉnh tốc độ độngcơ không đồng bộ là : Tác động vào stato nh thay đổi số đôi cực , thay đổi

điện áp , biền đổi tần số nguồn điện vào ; tác động vào roto nh thay đổi điện

trở roto hoặc nối tiếp điện trở phụ

Do động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nên nhữngphơng pháp điều chỉnh tốc độ theo hớng thứ nhất Thay đổi số đôi cực p, thay

đổi tần số, hoặc thay đổi điện áp

II.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực :

Nói chung ,trong điều kiện bình thờng, động cơ điện có hệ số trợt khánhỏ ,vì vậy tốc độ của roto gần bằng tốc độ đồng bộ n1 = 60f1/p Do đó khif1 = const thì thay đổi p (số đoi cực của đây quấn stato) có thể thay đổi đợctốc độ

Dễ thấy , khi thay đổi số đôi cực p là số tự nhiên nên tốc độ chỉ có thể thay

đồi từng cấp , điều chỉnh tốc đọ không phẳng Để thay đổi số đôi cực ta cóthể đồi cách nối các bối dây hay lắp sẵn các bối dây có số đôi cực khácnhau hoặc phối hợp cả cách trên

Ngoài ra ngời ta còn chế tạo động cơ điện 2 tốc độ thành loại mômenkhông đổi và loại công suất không đổi tuỳ theo cách đấu Y hay  và đấu dâyquấn pha song song hay nối tiếp (hình 1.2)

Gọi công suất động cơ điện 2 tốc độ với số đôi cực ít (p1), với số đôi cực gấp

đôi (p2=2 p1) Theo hình 1.2 trên với cách đấu Y/YY ta có :

Giả thiết khi đổi tốc độ , hiệu suất và cos không đổi ta có : công suất P2/P1 = 1/2 mà ta lại có P= M (: tốc độ góc của rôto ; M: momen ; P : côngsuất đầu trục cử động cơ)

2

1 2

2

1 1 2 2

1 1 2

n

M n M

M P

P





<=> M1 = M2 Máy có mômen không đổi khi ta thay đổi tốc độ quay Với loại máy cósơ đồ đấu dây ở hình 1.2b ta có:

P2  3U1 3If cos  1

1 1

2 3U 2 I f cos 

P   =>P1 /P2 = 2/ 3 = 1.15

Động cơ điện chế tạo theo kiểu này có công suất không đổi

Trong phơng pháp này có u điểm : Thực hiện khá đơn giản , có thể thay

đổi tốc độ mà vẫn giữ đợc mômen không đổi hoặc công suất không đổi Tuynhiên nó có khuyết điểm là chỉ ứng dụng với động cơ roto lồng sóc , thay đổitốc độ theo cấp và chỉ ít cấp thay đổi, vận hành và thay đổi tốc độ khá nhỏbởi phải có kiến thức đấu dây, khó sửa chữa khi hỏng hóc Đối với quạt gió

Vậy phơng pháp này cho ta điều chỉnh bằng phẳng, về hình thức động cơ

điện có thể quay với bất cứ tốc độ nào

Khi biến đổi f để đạt yêu cầu thì cần chú y đến tính chất của phụ tải

ơng pháp là biến tần trực tiếp và nghịch lu (dòng điện hoặc điện áp)

3 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ.

Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phơng điện áp Stato, do đó

có thể điều chỉnh đợc momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị

điện áp Stato trong khi giữ nguyên tần số Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều(ĐAXC) mà ta thờng dùng

bộ 6 Tiristor đấu song song ngợc

T5 T2 C

T3 T6 B

T1

T4 A

Khi điện áp lới giảm , mô men tới hạn sẽ giảm theo bình phơng lầm độ suy giảm của điện áp lới Trong khi đó tốc độ đồng bộ w1 giữ nguyên và độ trợt tới hạn sth không thay đổi Hệ số trợt bằng 1/2 hệ số trợt cũ, khi đó tốc độ là:

n = n1(1 – s/2)

Nh vậy ta có thẻ điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh điện

áp nguồn cấp vào động cơ Đặc biệt đối với phơng pháp này tổn thất để điều chỉnh là khá nhỏ đối với tải là quạt gió tơng ứng với số mũ bằng 2 trong ph-

ơng trình đặc tính cơ Tuy nhiên : momen động cơ đợc tính theo:

II.4 Lựa chọn ph ơng pháp:

Phơng pháp thứ nhất: Thay đổi số đôi cực không thuận lợi là điều chỉnhkhông bằng phẳng, có thể nối đợc bao nhiêu số đôi cực khác nhau thì có bầynhiêu cấp điều chỉnh. > là không thuần lợi

Phơng pháp thứ hai: Thay đổi tần số

III.1 Sơ đồ mạch lực

III.2 Nguyên l hoạt động

III.3 Tính toán mạch lực

III.3.1 Tính chọn vanIII.3.2 Tính chọn thiết bị bảo vệ

Cs3 Rs3

Cs1 Rs1

Cs2 Rs2

L3 L2 L1

C

C

R R

III.2 Nguyên ly hoạt động:

-khi đóng cầu dao nói giữa mạch lực vá điện áp nguôn,lúc này

bỏ qua vấn đề khổi động ,ta giẩ sử rẵng động cơ sẽ đat đuợc tới tốc

độ mong muốn ban đầu trong giải điều khiển mong muốn nhờ núm điêu chỉnh đặt trên phần mạch điêu khiên

-do khi đóng cầu dao thì đòng thồi mạch điều khiển &mạch lực

đồng thời hoạt động

-khi động cơ làm việc bình thờng thi không có gì xảy ra ,nhng khi vì một li do nào đó động cơ không còn làm việc ở chế độ bình

Thờng đuợc nũă mà một trong các nguyên nhân chủ yếulà:

+)mất pha lối :do sự cố đứt day ,sấm sét ,…

+)hoặc do dộng cơ kéo tải quá lớn ,lâu dài ….quá lợng định mức cho phép

Khi dó nếu tình trạng này kéo dài sẽ dẫn tói phá huỷ động có,phá huỷ các thiết bị điều khiển là những thiết bị bán dẫn rất nhaỵ cảm Chính vì thế mạchlục bao giò cúng có mạch bảo vệ đẻ khi cần thiết nó có thể hoạt động nhầm ngắt ngay động có &các thiết bị ra khỏi lối điện.Trong phạm vi mach lực củadô án này ta sủ dụng rơle nhiệt đểbảo vêquá tảI ,role điện dới tấc dụng của mạch bảo vệ mất pha đẻ đóng ngắt diện khi có hiện tộng mát pha xayra

-khi tảI hoậc lói điện biến đổi trong phạm vi cho phép khi đó đẻ

ổn định tốc độ đông có thi mạch điều khiển cho phép tạo tin hiệu

điêu khiển nhờ sự chênh lệch giữa tín hiêu phản hồi&tin hiêu đăt ban đầu nhằm tạo ra xung điều khiển hợp lý để mở mạch van &thông qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ.vấn đề này sẽ còn đợc đề cập đến ơ mạch đk sau này.III.3 Tính toán mạch lực:

III.3.1 Tính toán và chọn thiết bị cho mạch lực :

Các thông số động cơ cần đợc điều khiển:

Pcơ = 100 kW Uđm = 380/220 V Cos φφ =0.81 ŋ = 0.84

*xét khi tải đối xứng &tảI mắc Y

P1=Pcơ/ φ ŋ =3Uf.If cos φ φ  If= 0 , 81 3 220 0 , 84

10 100 cos

3

P

=223,3(A)

*)xét tròng hôp dòng qua van lón nhât trong trồng hộp lôn nhất

Khi trong một giai đoạn nào đó luôn có 2 van của 2 pha làm việc

2 If sin d = 0.45 If= 0,45 223,3=100.485(A)

Do tảI là quạt thông gio có tính chát trở kháng do đó viêc tinh toán đòng Trung bình qua van là hết sức khó khán, vi vây để thuân tiên ta giả sử dòng tảI là liên tục khi đó dòng tb qa van sẽ cúng xấp xỉ vào khoảng 100(A)

Điện áp ngợc max thực tế đặt lên van :Ung= 6.U2f=220* 6=539(v)

Các hệ số dự phòng cho lựa chọn van:

+ Hệ số dự trữ dòng: Ki =1.4 phòng quá tải

+ Hệ số dự trữ áp : Ku= 1.8 phòng ảnh hởng lới điện dao động- ảnh hởng ngẫu nhiên

+ Vấn đề thoát nhiệt- làm mát cho van:

- Vì là van bán dẫn (Thyristor) rất nhạy cảm với nhiệt độ Ta quan tâm

đến vấn đề nhiệt để tránh nhiệt độ mặt ghép vợt quá nhiệt độ cho phép

ở đây nguyên nhân của sự phát nhiệt là do sụt áp trên van ΔU Công suất phát nhiệt trên van phụ thuộc vào dạng dòng điện và điều kiện làm mát Đối với làm nhiệt bằng đối lu tự nhiên thì chú y lắp cánh tản nhiệt ở vị trí thẳng đứng

- ở đây, ta lựa chọn phơng pháp làm mát tự nhiên cho các van lực của mạch cung cấp, điều chỉnh quạt thông gió Vì dòng trung bình qua van

là cỡ 100A là giới hạn áp dụng > dòng trung bình qua van nên cỡ 40% dòng cho phép

Từ các số liệu tính toán ở trên ta có:

4 , 0

4 , 1

* 100

A K

I v

i v

Các thông số của Thyristor này là:

hiệu ĐA du/dt t ph di/dt

220

6 = 5.4 H.

Theo tính toán ta chọn điện cảm hạn chế tốc độ tăng dòng là: 10 H.

L

+ Bảo vệ tốc độ tăng điện áp:

Khi nguyên nhân là hiện tợng chuyển mạch giữa các van khi làm việc:

Bản chất của hiện tợng là do nguyên nhân nội tại chính trong van đó là sự tích tự điện tích trong các lớp bán dẫn Khi khoá Thyristor bằng điện áp ng-

ợc các điện tích tích tụ đó đổi ngợc lại hành trình tạo ra dòng điện ngợc trongthời gian rấta ngắn Vì trên đờng dây nguồn dẫn đến Thyristor lợn có điện

cảm thì sự biến thiên nhanh chóng dòng điện ngơc sẽ gây suất điện động cảm ứng rất lớn.

Khi dẫn thì áp trên van giảm đột ngột xấp xỉ đến 0 nên các van chịu tác độngnày dới dạng xung áp rất mạnh

Tính toán Rs&Cs: Mạch R&C đấu song song với Thyristor nhằm bảo vệ quá

điện áp do tích tựh điện tích khi chuyên mạch gây nên đối với mỗi Thyristor

Đồng thời cũng để tránh hiện tợng mở ngoài mong muốn (cha có Ig cũng đã mở)

Cs Rs

Thông số Rs&Cs phụ thuộc mựyc độ quá điện áp (tốc độ biên thiện dòng chuyển mạch, điện cảm trên đờng dây )

Việc tính toán Rs&Cs là tỉ mỉ và đồi hỏi nhều thời gian Ví dụ phơng pháp

đồ thị tuy nhiên vì giới hạn thời gian và mức độ ta chọn thông số theo kinh nghiệm (van lớn tụ càng lớn & điện trở càng nhỏ)

Rs=100 ; Cs= 0.5F

+ Bảo vệ quá áp xảy ra ngẫu nhiên: Nh từ lới điện do sấm sét, hay đóng cắt phụ tải hoặc do ngắt MBA khi không tải (thấy rằng, quá áp có thể có điện

áp gấp 5 lần điện áp bình thờng)

R&C bảo vệ (hạn chế) quá áp do cắt không tải MBA hoặc sấm sét Chọn R= 20-100 ; C= 0,1-0,2uF

R

R R

C C

C

IV Thiết kế mạch điều khiển

IV.1 Các phơng pháp & lựa chọn phơng pháp điều khiển

IV.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển

IV.3 Tính toán các khâu mạch điều khiển

IV.3.2 Khâu điện áp tựa (răng ca)IV.3.3 Khâu so sánh và tạo xungIV.3.4 Khâu tách xung

IV.3.5 Khâu khuếch đại xungIV.3.6 Nguồn cung cấp một chiềuIV.3.7 Khâu tạo điện áp điều khiển

Mạch lực là kết hợp các van bán dẫn Thyristor có thể dẫn hoạc không dẫn dòng (công suất lớn) qua Vì vậy MĐK có vai trò kiểm soát việc đóng

mở (ở đây là điều khiển mở) của các van theo yêu cầu nhất định về điện áp

0

Ig Uak

tức là điều kiện có điện áp dơng đặt lên 2 cực Thyristor & có dòng điều khiển đặt vào cực điều khiển (gate)

Việc tìm hiểu kĩ lỡng nguyên tắc điều khiển mở Thyristor cũng nh bộ Thyristor (nhiều Thyristor) mắc kết hợp sẽ cho ta chọn đợc phơng pháp điều khiển hợp ly

Để mở đợc van chắc chắn thì xung điều khiển phải đủ công suất (Uđk,Iđk), xung còn duy trì đủ để dòng qua van vợt quá trị số dòng điện duy trì, vàxem các van bán dẫn đó dẫn dòng tới đối tợng tải để có dạng xung điều khiên hợp ly (xung đơn, xung kép hay xung chùm)

Từ yêu cầu điều khiển mở của Thyristor ta cân thiết kế mạch đièu khiển có vai trò:

+ Phát xung đièu khiển (xung mở van) cho các van lực tuỳ biến theo đúng pha với góc điều khiển α cần thiết

+ Xung điều khiển nó tạo ra phải dáp ứng đủ yêu cầu về công suất (Uđk, Iđk) và thời gian

+ Góc α điều chỉnh đợc theo xung điều khiển đó phải đảm bảo tơng ứng phạm vi thay đổi diện áp ra của tải

MĐK đáp ứng đợc nhũng yêu cầu trên sẽ cho ta làm chủ đối tợng điềukhiển( quạt = động cơ KĐB) từ mở máy, điều chỉnh tốc độ (theo một dải nhất định và trơn), và giải quyết sự cố

Xét cụ thể vai trò của MĐK và yêu cầu của MĐK đối với đồ án: Khi Uđk thay đổi > dòng điều khiển tới các van (thực chất là thời gian phát xung điều khiển) thay đổi hợp ly hay φα hợp ly > Ura thay đổi hợp ly theo yêu cầu và tốc độ động cơ vì thế thay đổi

IV.1 Các ph ơng pháp & lựa chọn ph ơng pháp điều khiển

Hệ điều khiển để phát xung mở có 2 dạng cơ bản là hệ đồng bộ & hệ không đồng bộ

- Hệ đồng bộ:là hệ mà góc điều khiển luôn xác định xuất phát α luôn xác định xuất phát

từ 1 thời điểm cố định điện áp lực

- Góc α luôn xác định xuất phát không xác định theo điện áp lực mà đợc tính dựa vào Trạng thái của tải chỉnh lu &góc điều khiển của lần phát xung

mở van ngay trớc đó

Do tính ổn dịnh &để thực hiện ,ngày nay đai đa số các mạch chỉnh lu

sử hệ đồng bộ

IV I.2) nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ

a) Nguyên tắc điều khiển ngang:

-Xung đk dợc tạo ra nhờ khâu tạo xung khi u dịch pha chuyển qua 0 và đợc khuyếch đại nhờ BAX

- theo phơng pháp này góc đα luôn xác định xuất phát ợc thay dổi nhờ sự tác dụng của u đk thay đổi điện áp dịch pha theo chiều ngang của trục thời gian

b)nguyên tắc điều khiển dọc:

*Sơ đồ cấu trúc và đồ thị;

UDD