Nghiên cứu, tính chọn, vận hành biến tần INVT GP10 điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

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 khôngkhí suất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p f1 là tần số l

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động hoá là một ngành khá mới ở nước ta nhưng chính vì những lợi íchcủa nó mang lại nên việc xây dựng và phát triển nền tự động hoá của nước nhà làkhông thể thiếu, trong đó quá trình đào tạo ra những cán bộ, kỹ sư giỏi về chuyênnghành tự động hoá là hạt nhân chính Là một trong những nơi đào tạo ra nhưng

kỹ sư, thạc sỹ, cán bộ tự động hoá giỏi, khoa điện bộ môn tự động hoá ĐạiHọc Công Nghiệp VIỆT HUNG luôn đem đến cho đất nước kỹ sư tương lai

Được may mắn học trong một ngôi trường có nhiều thầy cô giáo giỏichúng em các bạn luôn luôn cố gắng học hỏi bồi dưỡng kiến thức cho nghànhhọc của mình để mai sau phục vụ đất nước Sau một quá trình học tập và tudưỡng trong trường, trước khi ra trường chúng em xin làm một đề tài nghiêncứu “ Nghiên cứu, tính chọn, vận hành biến tần INVT GP10 điều khiển tốc

độ động cơ không đồng bộ ba pha ”

I KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.1 Khái quát chung

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều ,làm việc theo nguyên

lý cảm ứng điện từ , có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trongmáy

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt

vì chế tạo đơn giản , giá rẻ , độ tin cậy cao , vận hành đơn giản , hiệu suất cao , và

gần như 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 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1hp thường là mộtpha

1.2 Cấu tạo

Giông như các loại máy điện quay kháÁ c ,động cơ không đồng bộ ba phagồm có các bộ phận chính sau :

- phần tỉnh hay còn gọi là stato

- phần quay hay còn gọi là roto

Trên stator có vỏ, lõi thép và dây quấn.

1.2.1.1 Vỏ máy

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn Thường võ máy làm bằnggang Đối với vỏ máy có công suất tương đối lớn ( 1000 kw ) thường dung théptấm hàn lại làm vỏ máy ,tùy theo cách làm nguội ,máy và dạng vỏ máy cũng khácnhau

1.2.1.2 Lõi thép

Lõi thép là phần dẫn từ Vì

từ trường đi qua lõi thép là từtrường quay nên để giảm bớt tổnhao, lõi thép được làm bằng những

lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm

ép lại.Khi đường kính ngoài củalõi thép nhỏ hơn 990mm thìdùng cả tấm thép tròn ép lại Khiđường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm thép hình rẻ quạt( hinh 1.2 ) ghép lại thành khối tròn

lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy

Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm :

Hình 1.2 tấm thép hình rẻ quạt

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 moment cầnthiết 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 giữahai dây quấn xếp và song

1.2.2 Phần quay

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

ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có

sẽ rãnh 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 nhưdây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu nàyluôn đấu hình sao ( Y ) và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quayrotor và cách điện với trục Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này đểdẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động Cơ để khởi động hoặc điềuchỉnh tốc độ

1.2.3 Khe hở

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều , khe hở trong máy điện khôngđồng bộ rất 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 củamáy tăng cao

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

1.2.4 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 khôngkhí suất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện ; p là sốcặp cực ; tốc độ từ trường quay ) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tựngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I2 chạy qua Từ thông do dòngđiện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tácdụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor Trong những phạm vitồc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau Sau đây ta sẽnghiên cứu tác dụng 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 vàrotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1

1.2.4.1 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 hình1.5a Theo qiu tắc bàn tay phải , xác đinh được chiều sức điện động E2 và I2 ; theoquy tắc bàn tay trái , xac định được lực F và moment M Ta thấy F cùng chiềuquay của rotor , nghĩa lá điện năng đưa tới stator , thông qua từ truờng đã biến đổithành cơ năng trên trục quay rotor theo chiều từ trường quay n1 , như vậy đông cơlàm việc ở chế độ động cơ điện

1.2.4.2 Rotor quay cùng chiều nhưng tốc độ n> n 1 (s< 0)

Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độdồng bộ n > n1 Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại ,sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều nênchiều của M cũng ngược chiều n1 , nghĩa là ngược chiều với rotor , nên đó làmoment 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 ở chế độ máy phát

1.2.4.3 Rotor quay ngược chiều từ trường n< 0(s > 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ trườngquay hình 1.5c , lúc này chiều của sức điện động và moment giống như ở chế độđộng cơ Vì moment sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotorlại Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào , vừa lấy cơ năng từđộng cơ sơ cấp Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ

1.2.5 Các đường đặc tính của động cơ không đồng 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 gầntốc độ đồng bộ n ~ n1 Khi tăng tải thì tổn hao đồng cũng tăng lên n giảm một ít ,nên đường đặc tính tốc độ là đường dốc xuống

có M = f(s) thay đổi rất

< sm thì đường M = f(s) gần

giống đường thẳng ,nên M2 =

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

1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi điện áp

1.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh

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

1.3.1.2 Đặc tính cơ trong điều chỉnh

 Nếu bỏ qua tổng trở nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch ro toĐiện áp nguồn thay đổi ta thu được một họ đặc tính điều chỉnh có độ trượttới hạn giữ nguyên còn Mth thay đổi tỉ lệ với U2

Như vậy những đường đặc tính điều chỉnh này có đoạn làm việc ngắn , độcứng thấp và Mth giảm nhanh khi điện áp giảm

Để cải thiện đặc tính điều chỉnh và làm giảm mức phát nóng của máy điệnngười ta nối thêm một điện trở Rcđ vào mạch roto Khi điện áp đặt vào stato là địnhmức thì ta thu được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, ta gọi nó là đường đặctính giới hạn

Mthgh , sthgh : mô men và độ trượt tới hạn giới hạn của đặc tính giới hạn

Mth , sth : mô men và độ trượt tới hạn của đặc tính tự nhiênKhi điện áp đặt vào khác định mức , mô men tới hạn Mth.u sẽ thay đổi tỉ lệvới bình phương điện áp còn độ trượt tới hạn sth.u thì không đổi

Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s) ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị

U cho trước nhờ quan hệ

Các đường đặc tính điều chỉnh sẽ có dạng như sau:

1.3.2.1 Khái niệm chung

Xuất phát từ biểu thức , 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 :

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

Nếu điện áp U1 = const thì khi tần số f1 tăng thì từ thông Φ sẽ giảm do đó sẽdẫn đến hiện tượng giảm mô men trong máy Để giữ cho mô men không đổi thì taphải tăng dòng điện Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện

Nếu ta giảm tần số f1 thì từ thông Φ sẽ tăng lên , điều này sẽ làm đốt nónglõi thép 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 tacũng phải thay đổi U1 cho phù hợp nhằm mục đích giữ cho Φ là không đổi

1.3.2.2 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 :

Nếu coi từ biểu thức của Mth ta có

Như vậy ta có và viết biểu thức cho trường hợp làm việc

ở các thông số định mức và trong trường hợp U1, f1 bất kỳ và thoả mãn điều kiện

= const lúc đó ta có

Từ đó ta rút ra quy luật biến đổi của điện áp hoặc

Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc tần số và đặc tính phụ tải Cho xcác giá trị khác nhau ta sẽ có những quy luật biến đổi khác nhau của điện áp Ta

có bảng biểu diễn quy luật:

1.3.2.3 Các đặc tính điều chỉnh

Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số không những phụ thuộc vào f1

mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp , nghĩa là phụ thuộc vào đặc tínhtải

Khi sử dụng quy luật điều chỉnh điện áp gần đúng thì mô men tới hạn củađặc tónh điều chỉnh cũng được xác định gần đúng Khi tần số và điện áp là địnhmức thì mô men tới hạn sẽ là

So sánh với Mth ta có và thay bằng quy luật biến thiênvừa xác định được ta sẽ có

Độ trượt tới hạn được xác định theo biểu thức gần đúng

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 sảnxuất ta có thể xác định được Mth và sth của động cơ tại bất kỳ tần số nào Cuốicùng sử dụng phương trình:

ta sẽ dựng được đặc tính cơ điều chỉnh Dưới đây trình bày dạng các đường đặc

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

- Trong thực tế , do ta bỏ qua giá trị R1 nên ở những miền tần số thấp mômen tới hạn có sự sai khác đáng kể so với giá trị tính toán Ở những miền tần sốcao thì điện kháng từ hoá xμ>>R1 nên ta có thể bỏ qua còn khi tần số điều chỉnhthấp thì giá trị R1 không thể bỏ qua được nên kết quả tính toán sẽ không chính xác

Hệ số quá tải thực tế bị giảm đáng kể trong miền này

- Độ cứng của đặc tính cơ cũng phụ thuộc vào tần số điều chỉnh và đặc tínhcủa mô men cản Để đơn giản trong tính toán ta coi đoạn làm việc của đặc tính cơ

là đường thẳng và có phương trình

Khi đó độ cứng của nó sẽ được xác định theo phương trình

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

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi số đôi cực 1.3.3.1 Nguyên lý điều chỉnh

- Khi thay đổi số đôi cực của máy điện KĐB , tốc độ từ trường quay thay đổi

do đó tốc độ của roto cũng thay đổi theo Quan hệ đó được thể hiện theo biểu

f1 : tần số của lưới điện

p : số đôi cực

- Để có thể thay đổi được số đôi cực của động cơ thì máy điện phải được chếtạo đặc biệt Những máy điện kiểu đó gọi là máy điện đa tốc Số đôi cực của máy

có thể được thay đổi bằng 2 cách :

+ 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 , thayđổi cách 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 hoặcnhiều tổ dây quấn stato Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đoi cực theocách hỗn hợp 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 đấudây ở stato :

Giả sử ta có một tổ đấu dây ở stato gồm 2 đoạn , mỗi đoạn là một phần tửdây quấn , nếu ta đấu nối tiếp hai đoạn đó thuận cực nhau thì số đoi cực sẽ là p =

2 , còn nếu 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

1.3.3.2 Cách đổi nối trên thực tế

Trong thực tế việc đổi nối cách cuộn dây được thực hiện theo 2 cách :Hìnhsao → 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

Khi nối theo hình Δ các cuộn dây được nối nối tiếp thuận với nhau nên ta giảthiết khi đó p = 2 tương ứng với tốc độ đồng bộ là ω0 Khi đổi nối thành hình YYcác đoạn dây nối nối tiếp ngược nên p = 1 và tốc độ đồng bộ là

Để dựng các đặc tính điều chỉnh cần phải xác định các trị số Mth , sth và ω0

với các cách đấu dây

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

= 2x1 và R2 = 2r2 ; X2 = 2x2 ; Xnm = 2xnm

Điện áp trên dây quấn mỗi pha là Do đó

- Nếu đổi thành đấu YY ta có : R1YY = r1/2 ; X1YY = x1/2 và R2YY = r2/2 ; X2YY

= x2/2 ; XnmYY = xnm/2

Điện áp trên dây quấn mỗi pha là Do đó

So sánh ta thấy

Kết luận : Khi đổi nối Δ → YY tốc độ không tải lý tưởng tăng lên gấp đôi ,

độ trượt tới hạn giữ nguyên không đổi còn mô men tới hạn giảm đi 1/3 Đặc tính

cơ có dạng như sau :

- Để xác định phụ tải cho phép khi điều chỉnh tốc độ , xuất phát từ giá trịcông suất Từ biểu thức công suất ta có :

Do đó ta có

Thực tế có thể coi vì hệ số công suất và hiệu suất khi nối Δ caohơn khi nối YY Đó là khi nối YY điện áp đặt lên từng cuộn dây quấn lớn hơn khi

- Mô men cản cho phép giữa 2 cách nối

- Hệ số quá tải về mô men

2 Đổi nối sao sang sao kép ( Y → YY )

Sơ đồ đổi nối như sau :

- Khi nối theo hình Y các cuộn dây được nối nối tiếp thuận với nhau nên tagiả thiết khi đó p = 2 tương ứng với tốc độ đồng bộ là ω0 và do hai cuộn dây mắcnối tiếp nhau nên ta có R1 = 2r1 ; X1 = 2x1 và R2 = 2r2 ; X2 = 2x2 ; Xnm = 2xnm

So sánh ta nhận thấy

Kết luận : Khi tiến hành đổi nối Y sang YY tốc độ không tải tăng gấp đôi ,

mô men tới hạn cũng tăng gấp đôi , độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị của nó

- Công suất cản cho phép khi đổi nối :