Thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơ không đồng bộ, rotor lồng sóc phụ tải bơm hoặc quạt gió

Xong ngày nay với các tiến bộ khoa học kỹ thuật, ngời ta đã nghiên cứu ra các thiết bị nhằm hạn chế dùng mở máy cũng nh điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ để phục vụ cho các máy

Lời Nói Đầu Ngày nay động cơ không đồng bộ ba pha đã và đang đợc sử dụng rộng rãi, trong các máy móc công nghiệp Nó có u điểm là cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy xong nó vãn còn có những hạn chế nhất định nh dòng điện khởi động lớn gây sụt

áp trên lới điện làm ảnh hởng tới thiết bị khác, khó điều chỉnh tốc độ, hệ số Cos φ thấp Xong ngày nay với các tiến bộ khoa học kỹ thuật, ngời ta đã nghiên cứu ra các thiết bị nhằm hạn chế dùng mở máy cũng nh điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ để phục vụ cho các máy móc công nghiệp có yêu cầu khắt khe về mặt truyền động

Do yêu cầu của sản xuất mà động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc phải dừng máy và mở máy nhiều lần do vậy tùy theo tính chất của phụ tải cũng nh tình hình của lới điện mà yêu cầu mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau Chính vì vậy những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ phải có tính năng mở máy tơng thích với yêu cầu của phụ tải Trong một số trờng hợp do phơng pháp mở máy hay do chọn

động cơ điện có tính năng mở máy không tơng thích nên thờng gây ra các sự cố làm h hỏng máy móc, làm giảm tuổi thọ của máy sản xuất Khi mở máy động cơ

điện cần tuân thủ theo những yêu cầu sau:

-Mô men mở máy của động cơ phải đủ lớn thích ứng với đặc tính cơ của phụ tải

-Thiết bị phục vụ mở máy phải đơn giản, gọn nhẹ, chắc chắn và rẻ tiền

-Sử dụng phơng pháp mở máy sao cho dòng điện mở áy càng nhỏ càng tốt.-Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt

Những yêu cầu trên nhìn chung thờng mâu thuẫn với nhau vì khi dòng mở máy nhỏ thì làm cho mô men mở máy giảm theo hoặc nếu không phải lắp đặt thiết bị đắt tiền Do đó ta phải căn cứ vào từng trờng hợp cụ thể để chọn phơng pháp mở máy thích hợp

Chơng I

Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ

I - Cấu tạo

Máy điện không đồng bộ gồm hai phần chính là stator và roto

1- Stato: stato gồm lõi sắt và dây quấn toàn bộ, stato đợc bao bọc bởi vỏ máy.

a/ Vỏ máy: thờng đợc làm gang hay thép

b/ Cực từ: đợc làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dầy 0,5 m đợc phủ sơn cách

điện ép lại với nhau, mặt trong có sẻ rãnh để đặt dây quấn

c/ Dây quấn : là dây đồng có phủ sơn cách điện đc đặt vào các rãnh của lõi sắt

2-Rô to: đợc làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, lõi thép gắn trực tiếp trên trục

I’1+ I’2 = İ0

-Ė1= i0Ƶam

- (1) Khi = 0, Mα c = Mđm = const, quan hệ bậc nhất.

- (2) Khi = 1: Mô men tỷ lệ bậc nhất với tốc độ α

- (3) Khi = 2: Mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độα

- (4) Khi = 1: Mô men tỷ lệ nghịch với tốc độ.α

M TH

Chơng II Các phơng pháp mở máy

Có hai phơng pháp mở máy trực tiếp và hạ điện áp mở máy

I- Mở máy trực tiếp động cơ điện rôto lồng sóc

- Nguyên lý : Đóng AT trực tiếp nối động cơ điện vào lới điện

- Ưu điểm : Phơng pháp mở máy trực tiếp đơn giản, gọn nhẹ, nhanh chóng

- Nhợc điểm : Dòng khởi động lớn gấp năm đến bảy lần dòng định mức, thời gian

mở máy quá dài thì sinh ra phát nhiệt trên động cơ và gây sụt áp cho lới điện

Chỉ đợc sử dụng cho động cơ có công suất nhỏ (Pđm<50kw) hay với động cơ

II-Phơng pháp mở máy bằng hạ điện áp:

Đ

a t 1

- Nguyên lý :Khi đóng AT1 mạch điện của stato đợc nối nối tiếp với cuộn kháng Sau khi mở máy xong ta đóng tiếp AT2 thì điện kháng bị ngắn mạch lúc này động cơ đợc nối trực tiếp với lới điện

-Ưu điểm : thiết bị mở máy đơn giản, ít hỏng, dễ sửa chữa

- Nhợc điểm: Cuộn kháng cồng kềnh, nếu mở máy nhiều lần trong thời gian ngắn thì dễ bị hỏng Mở máy bằng phơng pháp này giảm đợc dòng điện nhng đồng thời

2- mở máy bằng dùng biến áp tự ngẫu :

C

t

a t 3

B A

-Ưu điểm: Dòng điện mở máy giảm nhng mômen động cơ điện giảm không nhiều lắm

- Nhợc điểm: Cồng kềnh, giá thành cao

3-Mở máy bằng phơng pháp đổi nối y- ∆ :

- Nguyên lý: Khi khởi động động cơ ta đóng AT2 về phía đấu Y và đóng AT1 Sau khi khởi động động cơ xong ta đóng AT2 về phía đấu Δ Động cơ làm việc ở chế độ Δ

- Ưu điểm : Mở máy nhanh, điện áp khi mở máy giảm đợc 3 lần

- Nhợc điểm:Phơng pháp này chỉ sử dụng đợc cho những động cơ đặc biệt 660v/380v làm việc ở chế độ Δ

Ba phơng pháp mở máy bằng cách hạ điện áp mở máy chỉ thích ứng với những

a

đ at2

at1

III - Mở máy động cơ bằng bộ biến đổi dùng Thyristor:

- Mạch động lực của bộ biến đổi dùng thyristor ta sử dụng ba cặp thyristor

đấu song song ngợc Vì mô men mở máy của động cơ không đồng bộ ba pha tỷ lệ thuận với bình phơng điện áp, và dòng điện tỷ lệ với điện áp

b

R

c a

+/ Có thể điều chỉnh đợc dòng điện mở máy do đó động cơ làm việc đợc ổn

định, tăng tuổi thọ của động cơ và làm cho điện áp nguồn ổn định

- Nhợc điểm: Điện áp ra có dạng rất không sin và phụ thuộc rất nhiều vào góc điều khiển cũng nh tính chất của tải

- Nguyên lý hoạt động:

Ta xét các trờng hợp:

§å thÞ ®iÖn ¸p pha A cña t¶i

Tuú thuéc vµo gãc ®iÒu khiÓn mµ c¸c giai ®o¹n cã ba van dÉn hoÆc hai van dÉn Ta thÊy cã ba kho¶ng ®iÒu khiÓn chÝnh

3 2

3 2

α α

π

πR

(1)

Trong ph¹m vi nµy lu«n chØ cã c¸c giai ®o¹n hai van dÉn.

4

3 2

sin 4

3 3 4

3 2

sin 16

3 12

θ

α = 75°

Uab/2 Uac/2

π α π π

θ

θ θ

θ π

3

2 2

2

3

sin 4

sin 3

d d

π

1 2 cos 16

3 4 24

T2 T1

θ

θ θ

−

4

2 sin 3 2 cos 4

3 3 3 2

5 1 2

π

U

Theo các biểu thức (1),(2),(3) và cho các giá trị α khác nhau và lấy P ở α =0 là 100% ta có các bảng giá trị và đồ thị

A6 C2

d BD3

B3

B2 AT4

C6 AT3

d

1-Giới thiệu sơ đồ :

để đảm bảo cho động cơ khi khởi động đợc trơn,êm khi làm việc đợc ổn

định, tăng tuổi thọ thì trong sơ đồ mạch động lực em sử dụng những phần tử sau:+ Ap tô mát AT1 có tác dụng đóng, ngắt điện của toàn bộ mạch động lực với lới

điện và bảo vệ quá dòng, quá áp cho toàn bộ mạch điện

+ Ap tô mát AT4 có tác dụng đóng, ngắt điện cho khối điều khiển BOX và có tác dụng điều khiển quá dòng,quá áp cho khối điều khiển

+ Cuộn kháng không khí CK có tác dụng điều chỉnh điện áp cho mạch điện

+ Cuộn biến dòng BD1, BD2 có tác dụng biến dòng điện và nhận tín hiệu phản hồi.+ Ba cặp thyristor có tác dụng điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

+ RC có tác dụng bảo vệ quá áp cho thyristor

+ Ap tô mát AT3 có tác dụng đóng ngắt điện từ mạch điện tới các bóng đèn D1,D2,D3 và bảo vệ quá dòng, quá áp cho chúng

+ Biến dòng BD3 có tác dụng biến dòng, để đa dòng điện vào ampemet

+ RI bảo vệ quá dòng cho ampemet

+ Ampemet có tác dụng đo dòng của 1pha

+ Ap tô mát AT2 có tác dụng đóng, ngắt điện từ mạch điện cho động cơ và bảo vệ quá dòng, quá áp cho động cơ

ba bóng cùng sáng lên đều nhau cho đến lúc chúng cùng sáng hẳn đó là khi cả ba pha đều có điện chế độ chạy tet đã hoàn thành.Còn nếu các bóng sáng không đều nhau hoặc ít nhất một bóng không sáng là điện ở các pha lệch pha nhau ta cần điều chỉnh lại dòng điện các pha bằng cách điều chỉnh lại góc mở α để cấp xung cho các thyristor điều chỉnh dòng ở ba pha đều nhau

b-Chế độ chạy có tải :

Khi đèn ở các pha đã bừng sáng và sáng đều nhau ta theo dõi ampemet khi nào chỉ đúng dòng điện ta cần sử dụng là lúc dòng điện ở các pha ổn định, thì ta đóng AT2 để cấp điện từ mạch điện cho động cơ, lúc này động cơ bắt đàu hoạt động.

II- Tính chọn van và bảo vệ van :

Hệ số dự trữ điện áp của van ta chọn Ku = 1,5

Điện áp van cần có: Uv = Ungmax KU = 537,4 * 1,5 = 806,1 ( V )

-Dòng điện trung bình qua van

Ic = 190 1,5

25

100

= 1140 ( A )c/ Chọn van:

Với Ucv = 806 ( V )

Icv = 1140( A )

Từ đó ta chọn van loại TΛ1200 - 10 Thông số của van :

Điện áp Ucv= 1000 VDòng điện Icv = 1200A

Điện áp điều khiển UG= 7V

Dòng điện điều khiển IG = 350mATốc độ tăng trởng điện áp: = 100

2/ Tính bảo vệ van:

- Thyristor là các linh kiện bán dẫn công suất do đó cần đợc bảo vệ chống những hịên tợng nguy hiểm nh ngắn mạch tải, quá điện áp hoặc quá dòng điện Vì thế mà ta có những bịên pháp bảo vệ khi các phần tử bán dẫn làm việc Có nhiều cách bảo vệ van bán dẫn nh làm mát, bảo vệ ngắn mạch đầu ra, bảo vệ quá điện áp

- Ngời ta chia ra làm hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp

a/ Nguyên nhân nội tại :

Khi khoá Thyristor bằng điện áp ngợc, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn đổi ngợc lại hành trình, tạo ra dòng điện ngợc tronh khoảng thời gian rất ngắn

Sự bíên thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm luôn luôn có của dây nguồn dẫn đến các thyristor Vì vậy, giữa Anốt và Catốt của Thyristor xuất hiện quá điện áp

b/Nguyên nhân bên ngoài :

Những nguyên nhân này thờng xảy ra ngẫu nhiên nh khi cắt không tải một máy biến áp trên đờng dây, khi cầu chì bảo vệ nhẩy khi có sấm sét v…v

- Mạch R C đấu song song với các thyristor nhằm bảo vệ quá điện áp cho tích tụ

điện tích khi chuyển mạch gây lên

C R

Thông số RC phụ thuộc vào mức độ quá điện áp, tốc độ biến t hiên của dòng

điện chuyển mạch, điện cảm trên đờng dây.v v

Tài liệu này chỉ giới thiệu phơng pháp xác định thông số RC bằng cách đồ thj giải thích, sử dụng những đờng cong đã chuẩn bị sẵn

- R,C bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích gây lên

Ta sử dụng các chữ viết sau đây:

• Ud m, n p, Ui m , n p – giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc đặt lên thyristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu.

• Ui m- giá trị cực đại của điện áp ngợc thực tế đặt trên thyristor

max khi chuyển mạch

*Xác định điện lợng tích tụ Q=f(di/dt), sử dụng các đờng cong cho trang sổ tay tra cứu

R

Q

U L R R Q

U

2

.

40 30 20 10 5 3 2 1∗

Chơng IV Mạch điều khiển

I- sơ đồ khối :

- Trong bộ khởi động mềm các thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi

có điện áp dơng đặt trên Anốt và có xụng áp dơng đặt vào cực điều khiển G Sau khi thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chẩy qua thyristor do thông số của mạch động lực quyết định

Mạch điều khiển có các chức năng sau

- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của

điên áp đặt trên anốt - ca tốt của thyristor

- Tạo ra đợc các xung điều khiển mở đợc các thyristor (Xung điều khiển ờng cóbiên độ từ 2 ữ 10 v, độ rộng của xung

th-tx=20 ữ 100 μs đối với thiết bị chỉnh lu

tx ≤ 10 μs đối với thiết bị biến đổi tần số cao

Độ rộng xung đợc xác định bằng biểu thức

tx=

dt di

Với :Uc- Là điện áp điều khiển , điện áp một chiều

Ur - Là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều

Hiệu điện áp Uc - Ur đợc đa vào khâu so sánh (1) làm việc nh một triger Khi Uc -

Ur=0 thì triger lật trạng thái ở đầu ra lúc này là một chuỗi xung dạng “ Sinus” chữ nhật

Khâu (2) là đa hài một trạng thái ổn định.

Khâu (3) là khâu khuyếch đại xung

Khâu (4) là biến áp xung

Bằng cách tác động vào Uc , ta có thể điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển, cũng tức là điều chỉnh góc α

II- Nguyên tắc điều khiển :

1-Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này ngời ta dùng hai điện áp:

-Điện áp đồng bộ, ký hiệu là Ur , có dạng răng ca, đồng bộ với điện áp đặt trên anôt

và catôt của thyristor

-Điện áp điều khiển ký hiệu là Uc là điện áp một chiều có thể điều chỉnh đợc biên

độ

U c ( U c + U r )

Tổng đại số của Ur + Uc đợc đa đến đầu vào của một khâu so sánh

Nh vậy, bằng cách biến đổi Uc ngời ta có thể điều chỉnh đợc thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đợc góc mở α

2-Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”.

Theo nguyên tắc này , ngời ta cũng dùng hai điện áp

-Điện áp đồng bộ Ur vợt trớc điện áp UA K qua thyristor một góc π/2

-Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều có thể điều chỉnh đợc

α

Ur Uc Uak

(Ur+Uc)

ωτ Uc

Tổng đại số Ur + Uc đợc đa đến đầu vào của khâu so sánh

Khi Ur + Uc = 0 ta nhận đợc một xung ở đầu ra của khâu so sánh

Uc +B cos α =0 => α = arccos (- Uc /B )Lấy B = Uc max thì khi Uc biến thiên từ - Uc max ữ + Uc max

3-Các yếu tố cơ bản đối với hệ thống điều khiển

-Đảm bảo phát xung với đủ các yêu cầu để mở van

-Đủ biên độ Ux.

-Đủ độ rộng tx

-Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển.

-Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực

-Đảm bảo đúng quy luật thay đổi về pha của xung điều khiển

Đây là yêu cầu để đảm bảo phạm vi điều chỉnh của góc điều khiển α Thông thờng đối với chỉnh lu điều khiển góc điều khiển α phải thay đổi đợc trong phạm vi

100 ữ 1700

-Có thể hạn chế đợc phạm vi điều chỉnh góc α,không phụ thuộc sự thay đổi của

điện áp lới

-Không gây nhiễu đối với hệ thống điều khiển điện tử khác ở xung quanh

-Có khả năngbảo vệ quá áp, quá dòng, mất pha … và báo hiệu khi có sự cố

U đ k 0

U đ k

U đ k m a x

t

U đ k m i n

4-Khuyếch đại thuật toán :

a/ Cấu tạo :

- Khuyếch đại thuật toán OA có hai cổng vào

* (+) là cổng vào không đảo dấu

* (-)là cổng vào đảo dấu

(M là điểm mối đất của sơ đồ, đây là điểm chuẩn của zêrô để đo điện thế của các

- Chễ độ tuyến tính: U2= A.Ud

Với A=104 ữ105 là hệ số khyếch đại điện áp

Điều kiện để khuyếch đại thuật toán làm việc ở chế độ này phải có:

Ud= Ur-U1

Khi U1< Ur =>Ud > 0 => U2 =U2 sat.

U1> Ur =>Ud < 0 => U2 =-U2sat.

Lúc này ở đầu ra ta nhận đợc một chuỗi xung chữ nhật, dơng và âm kế tiếp nhau Có thể dùng đi ốt ở đầu ra ở khâu so sánh để loại đi một loại xung âm hoặc dơng

b- so sánh hai tín hiệu khác dấu:

ở đây ngời ta so sánh tín hiệu của một đại lợng đang diễn biến là Ur

với tín hiệu điều khiển Uc với cực tính ngợc nhau đợc đặt vào cổng

đảo của OA

-Usat Uc

Rc

Uc

t

U Rr

Ur

t Ud

Điện thế tại cổng đảo:

-E = Uc - (Uc + Ur)

R R

t Usat 0 U2 U1 Ur T/2 T

6-Tạo điện áp răng c a đồng bộ:

a/ Sơ đồ dùng một transistor và tụ điện

Udb- Xung đồng bộ điểm không của điện áp nguồn xoay chiều

U r

T 1 R

Trong đó :

Uz là điện áp ổn định của Dz ,

β là hệ số khuyếch đại dòng của T1

Khi T2 bị khoá, C đợc nạp điện

CR

U Idt c

Điện áp răng ca đồng bộ Ur tăng trởng tuyến tính với thời gian Khi xung

đồng bộ Udb đến T2 thì T2 mở tụ điện C phóng điện qua T2

7-Khuyếch đại xung, biến áp xung:

-Hoạt động của sơ đồ:

Tín hiệu vào U2 là một tín hiệu lôgic Khi Uc = “1" thì transisto T mở bão hoà, khi Uc= “0” thì T bị khóa lại

Điện trở R 1 hạn chế dòng colêctơ, điốt Dr hạn chế quá điện áp của T Điốt

D2 ngăn chặn xung áp âm có thể có khi transisto bị khoá Rαhạn chế dòng điều khiển,

R2 là điện trở ảnh hởng đến biên độ và sờn xung ra

Sau thời gian khoảng 5τ, i c ≈I C = E / R1 lúc này bên thứ cấp bíên áp xung xuất hiện

Nếu không có điốt Dr thì năng lợng w= 21LI2 do hiện tợng tự cảm sinh ra

sẽ tạo nên sự quá điện áp trên các cực C, E của T có thể gây phá huỷ transisto T

Đi ốt Dｒloại trừ hiện tợng quá điện áp nói trên vì khi UCF = UC - UF , UCF

=0,8 V thì Dｒmở cho dòng qua, nó làm ngắn mạch hai điểm C và F do đó UCE =E + 0,8 V

Từ t = T1 trở đi IL suy giảm theo quy luật :

III- thiết kế mạch điều khiển:

để cho động cơ khởi động đợc êm, trơn bằng cách điều chỉnh dòng điện cấp cho động cơ ta xây dựng đợc mạch điều khiển sau:

0 0 0 0

3/ Nguyên lý hoạt động:

Sơ đồ mạch điều khiển ta thể hiện pha c:

Khi cấp nguồn cho biến áp bên thứ cấp có các dòng áp xoay chiều cấp cho các bộ chỉnh lu để lấy tín hiệu một chiều và điện áp đồng pha

Điện áp đồng pha qua Đ1,Đ2 ta đợc các nửa hình sin âm đặt vào bazơ T1,

đồng thời từ nguồn E qua R4 cũng có điện áp đặt vào bazơ T1

Khi bazơ T1 dơng, T1 mở, tụ C đợc phóng điện qua EC của T1

Khi bazơ T1 âm, tụ C1 đợc nạp từ E-R5-VR3-C-Nối đất

Tại điểm 2 ta có xung răng ca đặt vào cửa không đảo của OA2 lúc này tín hiệu điều khiển đợc lấy trên bộ tạo tín hiệu điều khiển đặt vào cửa đảo của OA2

Khi Urc > Uđk đầu ra OA2 là +

Khi Urc < Uđk đầu ra OA2 là

-Xung chùm với f = 10 kHz đợc lấy trên bộ dao động dùng khuếch đại thuật toán qua khuếch đại T4 lấy phần âm trộn với phần dơng của xung điều khiển tạo ra xung chùm dơng có tần số f = 10 kHz đặt vào bazơ T2 làm cho T2 mở, dòng chảy

từ E2-R12-sơ cấp BAX-ECT1-R11-nối đất Trên R11 có thiên áp đặt vào bazơ T3, làm T3 mở dòng chảy từ E2-R12-Sơ cấp BAX-Nối đất

Bên kia BAX ta nhận đợc các xung điều khiển mở van

IV- Tính toán các khâu trong mạch điều khiển:

R5

R4

C1D2