Thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây quấn bằng điện trở xung trong mạch rôto

Tên đề tài: Thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây quấn bằng điện trở xung trong mạch rôto II.. Đợc sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Thiết Bị Điện đặc biệt là s

THIếT Kế MÔN HọC: điện tử công suất

Đề số 8:

I Tên đề tài: Thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây

quấn bằng điện trở xung trong mạch rôto

II Số liệu cho trớc: Động cơ không đồng bộ rôto dây

- Điện trở phụ (xung) nối qua chỉnh lu diode

III Nội dung tính toán:

1 Vẽ sơ đồ điều khiển, thuyết minh

2 Tính toán các số liệu động cơ, vẽ đặc tính cơ tự nhiên

3 Xác định giá trị điện trở phụ trong mạch chỉnh lu ứngvới hai đặc tính cơ nhân tạo đi qua điểm và

, vẽ đặc tính cơ nhân tạo này

4 Tính toán và chọn lọc các linh kiện diode, Tiristo, Tụ,Kháng cần thiết trong sơ đồ

5 Tính toán các thông số và chế độ của bộ khoá Tiristo đểtoạ ra điện trở xung đáp ứng yêu cầu trong mục 3.

6 Lập sơ đồ khối điều khiển tự động ổn định tốc độ

động cơ và sơ đồ nguyên lý tơng ứng

7 Tính toán và xây dựng đặc tính cơ của hệ tự động

LờI NóI ĐầU

Hiện nay đất nớc ta đang trong giai đoạn công nghiệp hoáhiện đại hoá đất nớc, trong đó điện năng cũng nh tất cả cácthiết bị điện đều đóng một phần vai trò quan trọng và quátrình sử dụng các thiết bi điện nh thế nào để đạt đợc hiệu quảtốt nhất cũng nh cách điều chỉnh các thiết bị điện để phục vụmục đích của con ngời đợc đề cao và nó góp ích rất nhiều cho

sự phát triển chung của ngành năng lợng nói riêng và toàn xã hộinói chung

Đợc sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Thiết Bị Điện

đặc biệt là sự giúp đỡ tận ình của thầy giáo Tiến sĩ Bùi Đình

Tiếu em đã hoàn thành đồ án của mình với đề tài thiết kế sơ

đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây quấn bằng

điện trở xung trong mạch rô to Trong suốt quá trình thiết kếmặc dù bản thân đã rất cố gắng, đồng thời lại đợc sự giúp đỡchỉ bảo tận tình của giáo viên hớng dẫn nhng do sự thiếu hụtkinh nghiệm thực tế cũng nh do thời gian không cho phép nên

đồ án thiết kế còn nhiều thiếu sót.Em rất mong đợc sự chỉ bảo

của các thầy cô để em có thể tiến bộ hơn, cũng kính mong cácthầy cô thông cảm.

Em xin chân thành cảm ơn

TàI LIệU THAM KHảO

MụC LụC Chơng I: Giới thiệu khái quát về động cơ không đồng

bộ rô to dây quấn.

Chơng II: Thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không

đồng bộ rô to dây quấn bằng điện trở xung trong mạch rô to.

1 Vẽ sơ đồ điều khiển, thuyết minh

2 Tính toán các số liệu động cơ, vẽ đặc tính cơ tự nhiên

3 Xác định giá trị điện trở phụ trong mạch chỉnh lu ứngvới hai đặc tính cơ nhân tạo đi qua điểm và

, vẽ đặc tính cơ nhân tạo này

4 Tính toán và chọn lọc các linh kiện diode, Tiristo, Tụ,Kháng cần thiết trong sơ đồ.

5 Tính toán các thông số và chế độ của bộ khoá Tiristo đểtoạ ra điện trở xung đáp ứng yêu cầu trong mục 3

6 Lập sơ đồ khối điều khiển tự động ổn định tốc độ

động cơ và sơ đồ nguyên lý tơng ứng

7 Tính toán và xây dựng đặc tính cơ của hệ tự động

CHƯƠNG I Giới thiệu khái quát về động cơ không đồng bộ rô to

dây quấn

I Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ.

Động cơ xoay chiều không đồng bộ đợc sử dụng nhiều nhấttrong thực tế nhờ các u điểm nh đơn giản về cấu tạo, nhỏ gọn,tin cậy, giá thành rẻ và chi phí vận hành thấp, hơn nữa nó có thể

đấu trực tiếp vào lới điện xoay chiều 3 pha mà không cần phải

qua một thiết bị biến đổi nào

Có hai loại động cơ không đồng bộ

Động cơ rô to dây quấn

Động cơ rô to lồng sóc (rô to ngắn mạch)Tuy nhiên về nguyên lý làm việc chúng không khác nhau vì

thế chúng đều đợc xét dựa trên các thành phần nh:

Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ không

đồng bộ, đại lợng tốc độ  đợc biểu thị thông qua đại lợng hệ

số trợt s là độ chênh lệch giữa tốc độ góc của rô to  so với tốc

độ từ trờng quay o tính theo đơn vị tơng đối:

Trên thực tế đờng đặc tính cơ của động cơ không đồng

bộ là đờng cong có hai đoạn nh hình 3:

Đoạn thứ nhất từ điểm không tải lý tởng (s = 0;  = o)

đến điểm tới hạn (s = sth) gọi là đoạn công tác có độ cứng  < 0

Động cơ chỉ làm việc xác lập trên đoạn này

Đoạn thứ hai từ điểm tới hạn đến điểm ngắn mạch (s

= 1;  = 0) có độ cứng  > 0 và chỉ tồn tại trong giai đoạn khởi

động hoặc quá độ Giá trị mômen ngắn mạch (mômen khởi

động) Mnm có thể xác định bằng cách thay s = 1 vào:

Trong đó:

Trong trờng hợp không yêu cầu có độ chính xác cao thì:

II Giới thiệu về điều khiển động cơ bằng điện trở xung trong mạch rôto.

Đối với các động cơ không đồng bộ rô to dây quấn làm việc

ở chế độ ngắn hạn lặp lại, phơng pháp điều khiển biến trở với

điện trở phụ kiểu điện trở xung đã đợc ứng dụng rộng rãi Sơ

đồ nguyên lý đơn giản cho tại hình 1 thì đây là một sơ đồứng dụng phơng pháp điều khiển bằng điện trở phụ rô to mà sơ

đồ nguyên thuỷ của nó đợc thể hiện tại hình 2

ở đây dòng điện ba pha rôto I2 đợc chỉnh lu bởi cầu Điốtthành dòng một chiều Id chảy qua điện trở Rmc điện trở này

đóng vai trò điện trở phụ Rf đợc thể hiện trong hình 2 Mỗi giátrị của Rmc tơng tự nh một giá trị của Rf sẽ cho ta đợc một đờng

đặc tính nhân tạo Ngời ta đã chứng minh đợc rằng để có đợc

đờng đặc tính nh nhau thì giá trị Rmc ở hình 1 và Rf ở hình 2

có quan hệ:

Nếu cho trớc yêu cầu về chế độ công nghệ của máy sảnxuất ta có thể xác định đợc đặc tính cơ công tác nghĩa là biếttrớc đợc độ trợt tới hạn nhân tạo Sth.nt của đặc tính này từ đóchúng ta có thể xác định đợc giá trị điện trở một chiều cần chovào mạch

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh (cả mômen và tốc độ) ngời

ta thờng tao ra hai đờng đặc tính giới hạn: đờng 1 giới hạnngoài, đờng 2 - giới hạn trong nh hình 4

Đờng giới hạn ngoài nhằm mục đích hạ thấp đờng đặc tínhcơ tự nhiên, thành đặc tính nhân tạo có độ trợt tới hạn Sth1 đủlớn nhờ đó đảm bảo cho vùng tốc độ thấp có khả năng điềuchỉnh mômen rộng nhất là trong vùng hãm ngợc điều mà đặctính tự nhiên không có đợc ( xem đờng nét đứt momen nhỏ )hình 4 để có đợc đờng đặc tính này ta nối cố định trên điệntrở Ro nh hình 1 giá trị Ro thờng đợc chọn:

Trong đó:

Rđm là điện trở định mức của động cơ

Nh vậy độ trợt tới hạn của đặc tính giới hạn ngoài sẽ là:

Đờng giới hạn trong tơng ứng với trờng hợp Tiristo T luôn luôn ởtrạng thái cắt nghĩa là điện trở mạch một chiều lớn nhất:

Điện trở này thờng đợc chọn theo điều kiện hạn chế dòng

điện mạch rô to dới giá trị cực đại chó phép I2cp:

2 tuy nhiên nhờ điện cảm của mạch đủ lớn ( X2 và XCK ) nên dòngrô to không thể đột biến do đó động cơ sẽ tăng tốc theo gợnsóng ( theo đờng 3 hình 4 ) Bằng cách điều khiển Tiristo T ta

có thể thay đổi thời gian tđ độ rỗng  của xung điện trở và nhờ

đó sẽ xê dịch đợc đờng gợn sóng 3 dọc theo trục hoành, nghĩa là

ta có thể điều chỉnh đợc mômen và gia tốc trong các quá trìnhquá độ.

CHƯƠNG II:

Nội dung tính toán thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây quấn bằng điện trở xung trong

mạch rô to

1 Vẽ sơ đồ điều khiển, thuyết minh:

Phần sơ đồ điều khiển đợc thể hiện qua hình vẽ 1 Phầnthuyết minh đợc thể hiện trên phần giới thiệu sơ đồ điều khiển

động cơ không đồng bộ rô to dây quấn bằng điện trở xungtrong mạch rô to ở phần II- chơng I

2 Tính toán các số liệu của động cơ, vẽ đặc tính cơ

tự nhiên:

Đối với kiểu điều khiển này thì các điện trở Ro, R1, cầnxác định đơn vị tuyệt đối () còn các đặc tính cơ tơng ứngvới các điện trở đó có thể biểu thị theo đơn vị tơng đối.

Độ trợt định mức:

Độ trợt tới hạn của đặc tính cơ tự nhiên:

Vậy đặc tính cơ tự nhiên sẽ đợc vẽ qua 3 điểm:

Điện trở cố định mạch một chiều Ro sẽ đợc tính theo côngthức:

Mặt khác:

Ta có thể chọn nhằm mục đích hạ thấp đờng

đặc tính giới hạn ngoài (đờng 1-hình 4) trong đó độ trợt tới hạn

Sth1 càng thấp thì vùng mômen hãm ngợc càng lớn vì vậy ta đợc:

Điện trở phụ cho 3 pha đẳng trị cho Ro đợc xác định:

Độ trợt tới hạn của đặc tính cơ giới hạn có điện trở cố định

Lấy mức hạn chế dòng điện rô to:

Tơng ứng với dòng điện trong mạch một chiều:

Điện trở điều chỉnh R1 đợc tính nh sau:

Vậy độ trợt tới hạn của đặc tính cơ giới hạn trong:

Vậy đờng đặc tính cơ giới hạn (đờng 2- hình 4) với

và sẽ có vị trí sát trục hoành với mômen ngắn mạch

Để thực hiện phơng pháp điều khiển này ta phải sử dụngloại khoá điều khiển không tiếp điểm có độ tác động nhanhcao và đóng cắt bằng tín hiệu điện Đó là loại van điện từ côngsuất nh Transsisto lực hoặc Tiristo Tàn số xung điện fx phụ

thuộc vào độ tác động nhanh của các van này nếu sử dụngTiristo ngời ta thờng chọn fx = 500 Hz.

Vậy tần số đóng cắt của khoá Tiristo T cũng đợc chọn tơng

tự nh tần số đóng cắt của xung điện áp lấy fx = 500 Hz

3 Xác định giá trị điện trở phụ trong mạch chỉnh lu

ứng với hai đặc tính cơ nhân tạo đi qua điểm

và , vẽ đặc tính cơ nhân tạo này.

Mục đích chính ở đây là phải làm thay đổi điện trở củamạch rôto vì thế ta phải nối thêm điện trở phụ vào ba pha (bằngnhau hoặc không bằng nhau) nh hình 5 Từ các biểu thức:

Độ trợt tới hạn:

Và mômen tới hạn:

ta thấy khi thay đổi R2 momen tới hạn đợc giữ không đổi

và bằng momen tới hạn của đặc tính tự nhiên còn độ trợt tới hạnthì phụ thuộc tỷ lệ thuận với điện trở tổng trong mạch rô to:

Vậy điện trở phụ Rf là:

Họ đặc tính nhân tao biến trở đều đi qua điểm khôngtải lý tởng ( = const) nh hình 5- a,b

4 Tính toán và chọn lọc các linh kiện diode, Tiristo,

tụ, kháng cần thiết trong sơ đồ.

5 Tính toán các thông số và chế độ của bộ khoá Tiristo để tạo ra điện trở xung đáp ứng yêu cầu trong mục 3.

Thực chất của vấn đề ở đây năng lợng trợt trong mạch rô tocủa động cơ Nghĩa là nó đợc biểu thị bằng các thông số sđđxoay chiều E2 dòng điện xoay chiều I2 và tần số mạch rô to f2 =

f1s cũng đợc chỉnh lu thành dạng một chiều với các thông số E2d, Idnhờ cầu Diode chỉnh lu rồi đợc truyền vào bộ nghịch lu với chứcnăng là thiết bị biến đổi

ở bộ nghịch lu này việc chuyển mạch các Tiristo đợc thựchiện nhờ điện áp lới do đó năng lợng đợc trợt dạng một chiều sẽ đ-

ợc biến đổi thành xoay chiều có tần số điện áp lới, cuối cùng quamáy biến áp năng lợng trợt đợc trả về lới điện.

 - Góc mở của Tiristo với ( = /2)

- Góc mở chậm của Tiristo ở trạng thái NL

Uo - Điện áp lớn nhất của bộ NL ứng với trờng hợp  = 0

Với U2.ba - Điện áp thứ cấp của máy biến áp

Từ biểu thức (1), (2) ta thấy khi thay đổi góc mở  của cácvan trong bộ NL từ (-/2 đên  ) tơng ứng với sự thay đổi của

Sđđ nghịch lu Ebđ từ 0 đến  Udo thì dòng điện Id và I2 sẽ thay

đổi nhờ đó mômen và tốc độ của động cơ sẽ đợc điều chỉnh

6 Lập sơ đồ khối điều khiển tự động ổn định tốc

độ động cơ và sơ đồ nguyên lý tơng ứng.

a Lập sơ đồ khối của hệ điều khiển tự động ổn

định tốc độ động cơ : Đợc lập theo hai phơng pháp sau:

* Phơng pháp 1: Dựa trên luật điều khiển dòng Stato theo

hàm số của độ sụt tốc

Trong quá trình biến đổi và tính toán các quan hệ điện

từ của động cơ không đồng bộ ta tìm ra quan hệ sau:

Trong đó:

2 - từ thông của rô to

L12 - Hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stato và cuộn dây Rôto

- Hằng số thời gian của mạch Rôto

- Độ sụt tốc hoặc tốc độ trợt của Rôto

Từ biều thức trên cho ta thây rằng nếu giữ 2 = 2đm =Const thì I1 phụ thuộc vào quan hệ:

Nói cách khác khi ta thay đổi tần số nếu ta lấy tín hiệu sụttốc  để tạo ra hàm I1 () rồi điều khiển bộ biến tần đảmbảo dòng I1 theo quy luật đó thì từ thông Rô to 2 sẽ đợc giữkhông đổi bằng định mức.

động cơ chính xác và tạo đợc các đặc tính điều chỉnh tốt.Việc điều khiển I1 cũng đợc thực hiện dẽ dàng, thông qua bộbiến tần có nghịch lu dòng hoặc điều khiển gián tiếp thôngqua đại lợng U1 của bộ biến tần có nghịch lu áp

đây từ tín hiệu đặt đ và tín hiệu phản hồi  ta lấy đợc tínhiệu  sử dụng thông qua bộ tạo hàm  ta sẽ có tín hiệu dòng

hiệu đặt đ tỷ lệ với tần số đặt sẽ trực tiếp điều khiển bộnghịch lu ĐCi và ĐC là các bộ điều chỉnh tơng ứng trong mạchvòng điều chỉnh dòng điện và mạch vòng điều chỉnh tốc độ.

Cũng có thể lấy dòng điện Imc không phải từ nguồn điệnmột chiều bên ngoài mà sử dụng ngay năng lợng của động cơthông qua bộ chỉnh lu ở mạch rôto hình 8-a hoặc bộ tụ điện ởmạch Stato hình 8-b Các sơ đồ này đợc gọi là hãm tự kích nórất thuận tiện trong việc sử dụng

* Phơng pháp 2: Đợc dựa trên cách điều khiển động cơ

không đồng bộ bằng sơ đồ tầng (dùng cho các động cơ có côngsuất lớn)

- Sơ đồ khối:

b Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển tự động ổn định tốc độ động cơ:

Theo hình 6: Đợc dựa trên sơ đồ điện tầng

7 Tính toán và xây dựng các đặc tính cơ của hệ tự

động:

a Xác định thêm các thông số của động cơ và hệ truyền động:

P1

P12

Pcơ

Độ trợt định mức:

Độ trợt tới hạn:

Mô men định mức:

Mô men tới hạn:

Mô men quán tính của hệ:

Trong trờng hợp khởi động không tải nên: Mc = 0

Độ trợt xác lập về lý thuyết (khởi động không tải)

Nhng trên thực tế thì độ trợt cuối cùng:

b Dựng đặc tính cơ trong thời gian khởi động:

Với trờng hợp khởi động không tải nên thay Mc = 0 vào

ph-ơng trình:

(1)Thì ta đợc:

(2)Mặt khác mô men động cơ M phụ thuộc vào độ trợt S theophơng trình đặc tính cơ:

(4)Trong đó: Tco - Hằng số thời gian cơ học quy ớc:

Thay giá trị Tco = 0,25 (sec), Sbd = 1, Sth = 0,355 vào (4) ta

đợc phơng trình t = f(s) đây là một dạng biểu thị của đặctính s = f(t) hoặc  = f(t)

Từ đây ta có thể tính đợc giá trị tốc độ tơng ứng theobiểu thức:

Các số liệu tính toán đợc ghi trong bảng sau:

0, 2

0, 1

0,0 9

596

t (sec) 0 0,03

8

0,073

0,106

0,163

0,19

0,2 0,2

4

0,28

0,28

Từ bảng trên ta có thể xác định cứ mỗi một cặp giá trị M

và t cho ta một điểm trên đờng đặc tính mô men Hình 8

c.Thời gian khởi động :

Ta coi quá trình khởi động kết thúc khi độ trợt đạt đến giátrị cuối cùng Scc  Sđm ta thay S = Scc vào (4) thì ta đợc biểuthức xác định thời gian quá độ khi khởi động máy của động cơtrong hệ

Với S Scc = 0,09