Tìm hiểu được cấu tạo và các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha, sử dụng phần mềm matlab simulink

Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động bằng động cơ không đồng bộ phát triển mạ

LỜI CẢM ƠN

Trải qua bốn năm học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Nha Trang, dưới sự chỉ bảo, dậy dỗ tận tình của các thầy cô trong Khoa Điện-Điện tử cũng như thầy cô các khoa khác mà chúng em có cơ hội được học Đã giúp chúng em tích lũy được một lượng kiến thức quý báu làm nền tảng, hành trang vững chắc để chúng em bước chân ra trường lập nghiệp

Trước tiên, em xin gởi lời cảm ơn đến thầy Mai Văn Công người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đề tài

Tiếp theo, em xin gời lời cảm ơn tất cả các thầy cô trong Khoa Điện-Điện tử

đã tận tình truyền đạt kiến thức cho em suốt bốn năm em theo học ở trường

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình-những người đã quan tâm động viên, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình em đi học cũng như sau khi em ra trường Đồng thời cũng cảm ơn tất cả các bạn lớp 53D-DT đã hỗ trợ, giúp đỡ em hoàn thành chuyên đề này

Nha Trang, tháng 6 năm 2015

Sinh viên

Trịnh Đức Linh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG 1

1.2 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.2.1 Cấu tạo stato 1

1.2.2 Cấu tạo roto 3

1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 4

1.3.1 Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ 3 pha 4

1.3.2 Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ một pha 5

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 5

1.4.1 Dùng dây quấn phụ mở máy 5

1.4.2 Dùng vòng ngắn mạch ở cực từ 6

1.5 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ TRONG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 6

1.5.1 Phương trình cân bằng điện áp stato 6

1.5.2 Phương trình cân bằng điện áp roto 7

1.5.3 Phương trình cân bằng sức từ động 8

1.6 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 9

1.7 ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 10

1.7.1 Trong công nghiệp 10

1.7.2 Trong nông nghiệp và sinh hoạt 10

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12

2.1 MỞ MÁY TRỰC TIẾP 12

2.2 MỞ MÁY BẰNG CÁCH ĐỔI NỐI SAO-TAM GIÁC 12

2.3 KHỞI ĐỘNG DÙNG BIẾN ÁP TỰ NGẪU 14

2.4 KHỞI ĐỘNG DÙNG CUỘN KHÁNG PHỤ MẠCH STATO 15

2.5 KHỞI ĐỘNG DÙNG ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH ROTO 16

2.6 KHỞI ĐỘNG MỀM (SOFT STARTER) 17

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ QUAY VÀ HÃM ĐỘNG CƠ 20

3.1 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 20

3.1.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi số đôi cực từ 20

3.1.2 Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi tần số 22

3.1.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stato 23

3.1.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto 24

3.1.5 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều khiển công suất trượt trả về nguồn 24

3.2 HÃM ĐỘNG CƠ 27

3.2.1 Hãm tái sinh 27

3.2.2 Hãm động năng 28

3.2.2.1 Hãm động năng bằng hệ nguồn AC không đối xứng 28

3.2.2.2 Hãm động năng bằng nguồn DC 29

3.2.2.3 Hãm động năng tự kích dùng tụ điện 29

3.2.3 Hãm ngược 30

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MATLAB 31

4.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB 31

4.1.1 Khái niệm chung về matlab 31

4.1.2 Không gian làm việc của matlab 31

4.1.2.1 Khởi động và tạo thư mục làm việc cho Matlab 31

4.1.2.2 Hệ thống Matlab 33

4.1.3 Các cửa sổ trong Matlab 33

4.1.3.1 Của sổ Command Window 33

4.1.3.2 Cửa sổ Command History 33

4.1.3.3 Cửa sổ Workspace 34

4.1.3.4 Cửa sổ M-file 34

4.2 BIẾN VÀ CÁC LỆNH THÔNG DỤNG TRONG MATLAB 34

4.2.1 Các biến trong Matlab 34

4.2.2 Vector và ma trận 35

4.2.3 Các lệnh điều khiển cơ bản và các phím chức năng trong Matlab 36 4.2.3.1 Các lệnh điều khiển cơ bản 36

4.2.3.2 Các phím chức năng đặc biệt 37

4.2.4 Các phép toán quan hệ và logic 38

4.2.5 các hàm toán học và hàm lượng giác 39

4.2.6 Điều khiển xuất ra màn hình 40

4.2.7 Đồ họa trong Matlab 41

4.2.7.1 Đồ họa hai chiều (2-D graphics) 41

4.2.7.2 Đồ họa ba chiều (3-D graphics) 42

CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU VỀ SIMULINK 43

5.1 TỔNG QUAN VỀ SIMULINK 43

5.2 KHỞI ĐỘNG VÀ THAO TÁC VỚI SIMULINK 43

5.3 CÁC KHỐI CƠ BẢN TRONG SIMULINK 45

5.3.1 Các khối nguồn – tín hiệu vào (source): 46

5.3.2 Các khối tải – thiết bị khảo sát ngõ ra (sink): 46

5.3.3 Các khối xử lý – khối động học 47

5.4 CHUẨN BỊ, KHỞI ĐỘNG VÀ NGỪNG MÔ PHỎNG 48

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 50

6.1 PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 50

6.2 ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ KHI MÔ PHỎNG 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH

hình 1.1: cấu tạo động cơ không đồng bộ 1

hình 1.2: lõi thép stato 2

hình 1.3: dây quấn stato 2

hình 1.4: vỏ máy và nắp máy 3

hình 1.5: lõi thép roto 3

hình 1.6: roto lồng sóc 4

hình 1.7: roto dây quấn 4

hình 1.8: máy cán thép 10

hình 1.9: máy nghiền đá 10

hình 1.10: máy bơm 11

hình 1.11: máy quạt 11

hình 1.12: máy xay xát nông nghiệp 11

hình 2.1: mạch điều khiển động cơ khởi động Y-∆ 13

hình 2.2: mạch động lực động cơ khởi động Y-∆ 13

hình 2.3: sơ đồ mở máy dùng biến áp tự ngẫu 14

hình 2.4: sơ đồ mở máy dùng điện kháng mạch stato 16

hình 2.5: sơ đồ mở máy và đường đặc tính tải khi dùng điện trở phụ mạch roto 17

hình 2.6: nguyên lý khởi động mềm 18

hình 2.7: dòng điện ra sau khi điều chỉnh 18

hình 3.1: thay đổi số đôi cực bằng cách thay đổi tổ dây quấn 21

hình 3.2: thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto 24

hình 3.3: sơ đồ nguyên lý điều khiển vận tốc động cơ dưới 25

hình 4.1: các cửa sổ làm việc của Matlab 32

hình 5.1: cửa sổ chính của thư viện simulink 44

hình 5.2: cửa sổ soạn thảo của Simulink 44

hình 5.3: lấy một khối trong thư viện Simulink 45

hình 6.1: sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ 50

hình 6.2: mô hình máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ αβ 52

hình 6.3: mô hình máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq 53

hình 6.4: đồ thị đặc tính tốc độ động cơ 54

hình 6.5: đồ thị dòng điện trong stator và rotor của động cơ 55

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết

Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ đang chiếm một tỉ lệ lớn trong các ngành sản xuất cũng như trong sinh hoạt nhờ ưu thế là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều Nhưng để sử dụng tốt động cơ không đồng bộ không phải ai cũng biết Và hơn hết là tính chọn động cơ cho phù hợp với nhu cầu sử dụng lại càng khó hơn Chính vì vậy nên cần

có một vốn kiến thức tương đối về động cơ không đồng bộ để có thể vận hành nó tốt nhất, tránh các hư hỏng không mong muốn trong quá trình sử dụng cũng như biết cách khắc phục những sự cố khi đang vận hành và trong quá trình bảo dưỡng động cơ Từ những cơ sở đó, việc tìm hiểu động cơ không đồng bộ và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và từ đó chọn được động cơ có đặc tính như mong muốn

là cần thiết, nhất là đối với những sinh viên sắp ra trường lập nghiệp

Mục đích của đề tài

 Biết cấu tạo và các đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ

 Biết sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng các chế độ làm việc của động cơ

Đối tượng nghiên cứu

 Động cơ không đồng bộ ba pha

 Phần mềm Matlab-Simulink

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp tiếp cận thu thập thông tin

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Phạm vi nghiên cứu

 Động cơ không đồng bộ ba pha

 Phần mềm Matlab-Simulink

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Động cơ điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Tốc độ quay của roto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường trong máy nên có tên gọi là động cơ điện không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Tuy nhiên, trước đây động cơ không đồng bộ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ có khó khăn hơn so với động cơ điện một chiều Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động bằng động cơ không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của nó, đặc biệt

là các hệ có điều khiển tần số Truyền động sử dụng động cơ điện không đồng bộ đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động sử dụng động

cơ một chiều

1.2 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Động cơ không đồng bộ cấu tạo gồm hai bộ phận chính: phần tĩnh hay còn gọi là stato, phần quay hay còn gọi là roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

hình 1.1: cấu tạo động cơ không đồng bộ

1.2.1 Cấu tạo stato

Stato là phần tĩnh của động cơ không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép

và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

a) Lõi thép: lõi thép stato có hình trụ, do các lá thép kỹ thuật điện được dập

rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được

ép vào vỏ máy

hình 1.2: lõi thép stato

b) Dây quấn: dây quấn stato được làm bằng đây dẫn bọc cách điện và được đặt

trong các rãnh của lõi thép Khi có dòng điện chạy trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường

hình 1.3: dây quấn stato

c) Vỏ máy: vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép

và cố định máy trên bệ Hai đầu vỏ máy có nắp máy và ổ trục Vỏ máy và nắp máy dùng để bảo vệ máy

hình 1.4: vỏ máy và nắp máy

1.2.2 Cấu tạo roto

Roto là phần quay của động cơ, gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

a) Lõi thép: lõi thép roto gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt

ngoài ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục

hình 1.5: lõi thép roto

b) Dây quấn: dây quấn roto của động cơ điện không đồng bộ có hai kiểu: roto

ngắn mạch (hay roto lòng sóc) và roto dây quấn

+ roto ngắn mạch (hay roto lòng

sóc): trong các động cơ công suất lớn

(>100KW), trong các rãnh của lõi thép

roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối

ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạo

thành lồng sóc

Đối với các động cơ công suất nhỏ,

lồng sóc được chế tạo bằng nhôm, hai

đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh quạt

làm mát

hình 1.6: roto lồng sóc

+ roto dây quấn: thay vì đặt các thanh dẫn vào các rãnh của lõi thép roto,

người ta đặt dây quấn ba Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục

Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với ba biến trở bên ngoài để mở máy hoặc điều chỉnh tốc độ

hình 1.7: roto dây quấn 1.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

1.3.1 Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ 3 pha

Khi cho dòng điện ba pha, tấn số f vào ba pha dây quấn stato, sẽ tạo ta từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p (v/p) Từ tường quay cắt qua các thanh dẫn của dây quấn roto, cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn roto nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn roto Lực tác dụng tương hổ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ quay n1 của từ trường, vì nếu n = n1 thì không có sự chuyển động tương đối giữa roto và từ trường quay n1, trong dây quấn roto không có sức điện động cũng như dòng điện cảm ứng và lực điện từ sẽ bằng không

Sự sai khác giữa tốc độ n1 của từ trường quay và tốc độ n của máy được gọi là tốc độ trượt n2 Và hệ số trượt s là: s =

1.3.2 Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ một pha

Vì động cơ không đồng bộ một pha có cấu tạo stato chỉ có một pha dây quấn và roto thường là kiểu lồng sóc nên khi dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stato không tạo ra từ trường quay như trong động co không đồng bộ ba pha, mà chỉ tạo ra từ trường đập mạch một pha Do đó, để động cơ làm việc được, trước hết ta phải quay roto động cơ theo một chiều nào đó, roto sẽ tiếp tục quay theo chiều ấy Chính vì vậy, động cơ không đồng bộ một pha có các phương pháp mở máy riêng 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT

PHA

1.4.1 Dùng dây quấn phụ mở máy

Dây quấn phụ có thiết kế để làm việc khi động cơ mở máy Dây quấn phụ được đặt trong một số rãnh stato, sao cho khi làm việc nó sinh ra một từ thông lệch với từ thông chính một góc 90° trong không gian và dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 90° về thời gian Dòng điện

trong dây quấn phụ và dây quấn chính sinh ra từ trường quay để tạo ra mômen mở máy

Để dòng điện trong dây quấn phụ lệch pha với dòng điện trong dây quấn chính một góc 90°, ta thường mắc nối tiếp với dây quấn phụ một điện dung C

mở máy ban đầu làm động cơ quay

1.5 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN VÀ TỪ TRONG ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.5.1 Phương trình cân bằng điện áp stato

Vì hệ thống dòng ba pha đi vào dây quấn là đối xứng và dây quấn ba pha bằng nhau nên ta xét các phương trình cân bằng trong một pha

Khi cho điện áp U1 vào dây quấn một pha của stato, trong dây quấn sẽ cảm ứng sức điện động hình sin cũng tần số với nguồn và có trị số hiệu dụng:

E1 = 4,44.f.W1.kdq1.∅max

kdq1: hệ số dây quấn stato phụ thuộc vào cách quấn dây và bước dây quấn

Dòng điện I1 chạy trong mỗi pha dây quấn gây nên từ thông tản ∅t1, ∅t1 làm cảm ứng trong mỗi pha sức điện động cảm ứng tản Et1

̇t1= -j ̇xt1 = -j ̇1 Lt1

Đồng thời I1 cũng gây nên hao tổn trên điện trở dây quấn mỗi pha một lượng I1.r1:

̇1 = ̇1 ̅1 - ̇1 Với ̅1 = r1 + j.xt1

1.5.2 Phương trình cân bằng điện áp roto

Khi roto đứng yên, từ trường quay của stato sẽ làm cảm ứng trong dây quấn roto sức điện động cảm ứng có trị số hiệu dụng:

E20 = 4,44W2.f.kdq2.∅max

Trong đó: W2: số vòng dây trong một pha roto

kdq2: hệ số dây quấn roto, phụ thuộc vào cách quấn dây và bước dây quấn roto

Khi roto quay với tốc độ n nhưng đối với stato thì tốc độ roto chỉ quay

(n1 – n) = Sn1 ⇒ f2 = p(n1 – n)/60 = S.p.n1/60 = S.f

⇒ E2 = 4,44W2.f2.∅max = 4,44W2.S.f.∅max = S.E20

Vì dây quấn roto ngắn mạch nên E2 sinh ra I2 chạy trong dây quấn roto

I2 gây nên hao tổn trên r2 một lượng I2r2, đồng thời tạo nên từ thông tản ∅t2 Từ thông tản ∅t2 tạo ra sức điện động tản Et2 Et2 đặt trưng bằng điện áp rơi trên điện kháng tản xt2 trong dây quấn roto với:

xt2 = Lt2 = 2πf2Lt2Khi roto quay f2 = S.f thì điện kháng tản khi roto quay sẽ là:

xt2S = 2πS.f2.Lt2 = S.xt2Khi roto quay, mỗi pha dây quấn roto xem như mạch vòng trống có nguồn E2, dòng I2 chạy qua điện trở r2 và trên điện kháng tản xt2S

̇ ̇

Trong đó: m1 là số pha của dây quấn stato

Khi động cơ mang tải, sức từ động do sức từ động stato và roto gây nên là:

m1W1kdq1I1 và m2W2kdq2I2

Từ trường quay có trị số không đổi:

m1W1kdq1I0 = m1W1kdq1I1 + m2W2kdq2I2chia 2 vế cho m1W1kdq1 ta được I0 = I1 + ⇒ I1 = I0 -

Từ đó ta có phương trình: ̇1 = ̇0 + ̇2

Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ

Ta chuyển các đại lượng khi roto đang quay sang khi roto đứng yên

̇2 = ̇ = ̇

Chia cho S ta được: ̇2 = ̇

( )

Khi roto đứng yên ta nối thêm điện trở vào các pha dây quấn roto, năng lượng tiêu tán trên điện trở khi roto đứng yên tương đương với năng lượng điện từ được biến đổi thành cơ năng khi roto quay

Quy đổi roto về stato:

1.6 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Theo kết cấu vỏ máy, động cơ điện không đồng bộ được chia thành các kiểu: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ,

Dựa vào số pha trên dây quấn stato, người ta chia động cơ không đồng bộ làm

3 loại: động cơ không đồng bộ 1 pha, 2 pha và 3 pha Trong đó, động cơ không

đồng bộ 2 pha hoạt động như động cơ không đồng bộ 1 pha dùng dây quấn phụ mở máy Dây quấn phụ xem như một pha của động cơ

Theo kết cấu của roto, động cơ không đồng bộ được chia làm 2 loại: loại động

cơ roto lồng sóc và động cơ roto dây quấn Tùy vào yêu cầu sử dụng mà người ta dùng động có roto lồng sóc hay động cơ roto dây quấn Thường thì động cơ roto lồng sóc được sử dụng nhiều, động cơ roto dây quấn được sử dụng khi động cơ roto lồng sóc không đáp ứng các yêu cầu mômen mở máy lớn

1.7 ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.7.1 Trong công nghiệp

Trong công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng nhiều nhờ có

ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều Ngày nay, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ điều khiển bằng bán dẫn, động cơ điện không đồng bộ đang dần thay thế động

cơ điện một chiều trong các hệ truyền động như: các máy nghiền, máy cán, máy ép, máy trộn, băng tải, máy bơm công suất lớn,

hình 1.8: máy cán thép hình 1.9: máy nghiền đá

1.7.2 Trong nông nghiệp và sinh hoạt

Trong nông nghiệp và sinh hoạt cũng không thể thiếu các động cơ điện không đồng bộ Chúng gắn liền với cuộc sống chúng ta như cái quạt bàn, máy bơm nước, máy bơm hơi, máy xay xát, máy sấy tóc, máy quay đĩa, động cơ tủ lạnh,

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MỞ MÁY ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Tùy theo yêu cầu của dây chuyền sản xuất, động cơ điện không đồng bộ làm việc phải mở máy, ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hình lưới điện mà yêu cầu mở máy của đối với động cơ điện cũng khác nhau Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai Để đáp ứng các yêu cầu trên cần có những biện pháp mở máy tương thích Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy không đúng mà dẫn đến hư hỏng động cơ

Mở máy động cơ có nhiều cách nhưng phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản như:

 Phải có mômen mở máy đủ lớn để đáp ứng đặc tính cơ của tải

 Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

 Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

 Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt

2.1 MỞ MÁY TRỰC TIẾP

Cách mở máy này rất đơn giản, ta chỉ việc đóng điện nguồn định mức cấp cho động cơ và động cơ tự mở máy và làm việc

Cách mở máy này có nhược điểm là gây ra dòng khởi động lớn, có thể gây sụt

áp quá mức cho phép, đặt biệt khi động cơ có công suất lớn Vì thế nên yêu cầu công suất nguồn lưới phải lớn hơn rất nhiều so với công suất động cơ cần mở máy 2.2 MỞ MÁY BẰNG CÁCH ĐỔI NỐI SAO-TAM GIÁC

Cách mở máy này chỉ áp dụng cho các động cơ thiết kế hoạt động theo cách nối tam giác Thường dùng cho các động cơ có công suất trung bình từ

hình 2.1: mạch điều khiển động cơ khởi động Y-∆

hình 2.2: mạch động lực động cơ khởi động Y-∆

Đầu tiên, cho động cơ chạy ở chế độ sao bằng cách nhấn nút ON, công tắc tơ 1 hoạt động, đóng tiếp điểm K11 ở mạch động lực, động cơ khởi động theo kiểu sao Đồng thời cuộn dây T1 của rơle thời gian cũng có điện và đóng tiếp điểm T14 duy trì nguồn điện cung cấp cho mạch điều khiển khi nút ON được thả ra Sau một khoảng thời gian cài đặt, rơle thời gian sẽ mở tiếp điểm thường đóng mở chậm T11, ngắt điện cuộn dây K1 của công tắc tơ 1 Công tắc tơ 1 mất điện sẽ mở tiếp điểm K11 ở mạch động lực Cùng lúc đó, tiếp điểm thường mở đóng chậm T12 đóng lại cấp điện

cho cuộn dây K2 của công tắc tơ 2 Công tắc tơ 2 có điện sẽ đóng tiếp điểm K21 ở mạch động lực, động cơ hoạt động ở chế độ tam giác Hai tiếp điểm K13 và K23 có nhiện vụ khóa chéo nhau, tránh trường hợp động cơ vừa chạy sao vừa chạy tam giác Khi có sự cố xảy ra, rơle nhiệt OLR sẽ tác động và ngắt nguồn điện ra khỏi động cơ và mạch điều khiển

2.3 KHỞI ĐỘNG DÙNG BIẾN ÁP TỰ NGẪU

Mắc máy biến áp tự ngẫu sao cho bên cao áp nối với nguồn điện, bên hạ áp nối với động cơ Khi mở máy động cơ ta đóng cầu dao D1 và D3, điều chỉnh máy biến áp sao cho điện áp đặt vào động cơ bằng 0,7Uđm sau đó điều chỉnh máy biến áp

để điện áp đặt lên động cơ bằng điện

áp lưới, quá trình mở máy kết thúc

Kết thúc quá trình mở máy ta ngắt máy

biến áp ra khỏi động cơ bằng cách ngắt

cầu dao D3 đồng thời đóng cầu dao D2

để động cơ hoạt động

Nếu không sử dụng máy biến áp

tự ngẫu mà khởi động trực tiếp thì

dòng điện qua lưới nguồn và mômen

là điện kháng roto đã quy về stato

Nếu sử dụng máy biến áp tự ngẫu điện áp khởi động giảm xuống còn n.U, với

n là hệ số biến áp và n < 1 Dòng khởi động và mômen mở máy được xách định như sau:

3.U.ILkd = 3.Ukd.Ikd ⇒ ILkd = n.Ikd = n2.Ikd0 = n2.ILkd0

Ưu điểm của phương pháp khởi động dùng biến áp tự ngẫu là giảm dòng điện

mở máy nhưng vẫn giữ mômen mở máy không đổi hoặc vẫn giữ dòng điện mở máy nhưng tăng được mômen mở máy

Bên cạnh đó nhược điểm của phương pháp này là thiết bị sử dụng phức tạp, giá thành cao, độ an toàn về điện là không cao

2.4 KHỞI ĐỘNG DÙNG CUỘN KHÁNG PHỤ MẠCH STATO

Khi khởi động động cơ, trong mạch điện stato đặt nối tiếp một cuộn kháng Khi khởi động xong ta đóng cầu dao CD2 để nối ngắn mạch cuộn kháng Điều chỉnh chỉ số của cuộn kháng thì ta có được dòng điện mở máy cần thiết Do điện áp sụt trên điện kháng nên điện áp khởi động trên đầu cực động cơ U‟ sẽ nhỏ hơn điện áp lưới UL Dòng điện và mômen khởi động khi chưa mắc điện kháng là Ikd0 và Mkd0,

sau khi thêm điện kháng vào dòng điện khởi động sẽ là Ikd = k.Ikd0, trong đó k < 1 Khi hạ điện áp mở máy, tham số của động cơ không đổi thì dòng điện mở máy sẽ nhỏ đi, điện áp đầu cực động cơ bằng: Ukd = k.Ukd0 vì mômen mở máy tỉ lệ với bình phương điện áp nên mômen mở máy sẽ bằng: Mkd = k2.Mkd0

hình 2.4: sơ đồ mở máy dùng điện kháng mạch stato Dòng điện lúc khởi động:

Ikd =

√( ) ( ) Mômen khởi động:

Mkd =

2.5 KHỞI ĐỘNG DÙNG ĐIỆN TRỞ PHỤ MẠCH ROTO

Phương pháp này chỉ áp dụng cho những động cơ roto dây quấn vì đặc điểm của động cơ roto dây quấn mới có thể thêm điện trở phụ vào dây quấn roto được Khi điện trở dây quấn roto thay đổi thì đường đặc tính cơ M = f(s) cũng sẽ thay đổi Khi điều chỉnh điện trở mạch roto hợp lý thì sẽ được trạng thái mở máy lý tưởng Sau khi máy đã chạy, để duy trì mômen điện từ nhất định trong quá trình mở máy,

ta cắt dần điện trở thêm vào roto làm cho quá trình tăng tốc của động cơ thay đổi từ đường đặc tính này đến đường đặc tính khác (từ đường 4 → 3→ 2) và sau khi cắt toàn bộ điện trở ra khỏi mạch roto thì tốc độ động cơ tăng theo đương đặc tính số 1 đến điểm làm việc 0

hình 2.5: sơ đồ mở máy và đường đặc tính tải khi dùng điện trở phụ mạch roto Động cơ roto dây quấn có thể đạt mômen mở máy lớn, đồng thời dòng điện

mở máy nhỏ nên thường dùng trong các hệ truyền động khó mở máy

Bên cạnh đó, phương pháp này cũng có nhược điểm là thiết bị sử dụng phức tạp, giá thành cao, bảo quản khó khăn, hiệu suất máy thấp

2.6 KHỞI ĐỘNG MỀM (SOFT STARTER)

Khởi động mềm là khởi động dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều để điều khiển điện áp stato bằng cách điều khiển góc kích thyristor Là phương pháp khởi

động hiện đại, áp dụng cho động cơ có công suất vừa và lớn Điện áp stato được điều khiển thay đổi liên tục theo thời gian

Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi động và dừng nhờ điều khiển pha (kích đóng, mở 3 cặp thyristor song song ngược) trong mạch lực Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện áp là thay đổi Tần số không thay đổi so với tần số điện lưới

hình 2.6: nguyên lý khởi động mềm

hình 2.7: dòng điện ra sau khi điều chỉnh Bên cạnh đó, các bộ khởi động mềm còn có chức năng dừng mềm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải Hiện nay, hầu như tất

cả các khởi động mềm đều có tích hợp sẵn các chức năng bảo vệ động cơ khi quá tải, mất pha,

Chức năng dừng mềm: khi dừng động cơ ở các hệ truyền động có mômen

quán tính nhỏ như băng chuyền, thang máy, máy nâng, để đảm bảo an toàn cho người, thiết bị và sản phẩm ta cần dừng động cơ chậm nhờ chức năng dừng mềm, giảm điện áp từ từ trong khoảng 1÷20 giây tùy vào yêu cầu của hệ thống

Tiết kiệm năng lượng khi non tải: khi động cơ vận hành non tải hay không tải,

bộ khởi động mềm giảm điện áp động cơ đến giá trị U0 Việc giảm điện áp cũng làm giảm dòng điện và hạn chế tổn hao đồng và sắt trên động cơ

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ QUAY VÀ HÃM

ĐỘNG CƠ

3.1 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Ngày nay, đa số các máy sản xuất từ nhỏ đến lớn, từ đơn lẻ đến dây chuyền sản xuất đều sử dụng động cơ điện để truyền động Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tính an toàn, năng suất, chất lượng sản phẩm các máy sản xuất cần có tốc độ phụ hợp Để điều chỉnh tốc độ máy sản xuất có hai cách là thay đổi cơ khí hệ truyền động và thay đổi về điện thông qua việc thay đổi tốc độ động cơ điện Phương pháp thay đổi về điện đơn giản về mặt cơ khí và cải thiện đặt tính điều chỉnh của động cơ nên ta chỉ tìm hiểu các cánh thay đổi tốc độ động cơ

3.1.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi số đôi cực từ

Trong các hệ truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ theo cấp tốc độ thì sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực từ

Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào

số đôi cực từ theo biểu thức:

n1 =

(v/p) Tốc độ động cơ được xác định: n = n1(1-s)

Do đó, khi số đôi cực từ thay đổi thì tốc độ từ trường sẽ thay đổi và tốc độ động cơ cũng sẽ thay đổi theo

Để thay đổi số đôi cực từ ta thay đổi cách đấu dây và cũng là thay đổi chiều dòng điện đi trong cuộn dây của mỗi pha stato của động cơ Vì số đôi cực ở stato và roto là như nhau nên khi thay đổi số đôi cực ở stato thì số đôi cực ở roto cũng thay đổi theo Do đó, phương pháp này rất khó thực hiện ở động cơ roto dây quấn mà chủ yếu thực hiện đối với động cơ roto lồng sóc vì loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở roto cho phù hợp với số đôi cực ở stato

hình 3.1: thay đổi số đôi cực bằng cách thay đổi tổ dây quấn

Các cách thay đổi tốc độ như sau:

 Đổi cách nối để có số đôi cực khác nhau Dùng trong động cơ điện hai cấp tốc độ theo tỉ lệ 2:1

 Trên rãnh stato đặt hai dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường dùng trong động cơ hai cấp tốc độ theo tỷ lệ 4:3 hay 6:5

 Trên rãnh stato đặt hai dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, mỗi dây quấn lại có thể đổi cách nối để có số đôi cực khác nhau Dùng trong động cơ điện ba, bốn cấp tốc độ

Đối với động cơ có nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có ít nhất hai nhóm bối dây hoàn toàn giống nhau Vì vậy, động cơ càng nhiều cấp độ thì kích thước, trong lượng càng lớn, giá thành chế tạo càng cao Do đó, trong thực tế động cơ thường dùng tối đa bốn cấp tốc độ

Có các cách đấu dây để thay đổi tốc độ theo cấp như sau:

Cùng hai cuộn dây, tùy theo cách đấu thuận hay đấu nghịch mà được các bước cực khác nhau, nghĩa là số đôi cực khác nhau theo tỷ lệ 2:1 Hai cuộn dây này cũng

có thể đấu song song hay nối tiếp theo yêu cầu về dòng điện hay điện áp

Tùy theo cách đấu Y hay ∆ và cách đấu dây quấn pha song song hay nối tiếp

mà người ta chế tạo động cơ điện hai cấp tốc độ thành loại mômen không đổi và loại công suất không đổi

Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp nhưng ưu điểm của phương pháp này là giữ nguyên độ cứng cảu đặc tính cơ nên động cơ nhiều cấp tốc độ được sử dụng nhiều trong các máy luyện kim, máy tàu thủy,

3.1.2 Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi tần số

Như chúng ta đã biết, tốc độ động cơ không đồng bộ bằng

n = n1(1 - s ) =

(1 - s)

Theo biểu thức trên, tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số

Phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi tần số là phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, động cơ điện có thể quay với bất kỳ tốc độ nào Muốn vậy phải sử dụng nguồn điện có thể thay đổi tần số được Vì vậy, việc thay đổi tần số f của dòng điện stato được thực hiện bằng bộ biến đổi tần số

Nếu xem điện áp rơi trên dây quấn stato là không đáng kể: E1 = U1 thì

∅max =

. , tức là ∅max tỉ lệ với

Vậy, muốn giữ cho từ thông ∅max không đổi trong khi thay đổi tần số f để mạch từ của máy luôn làm việc trong trạng thái định mức thì phải điều chỉnh đồng thời tần số f và điện áp U sao cho tỉ lệ không đổi

Trường hợp vận hành động cơ với vận tốc thấp hơn vận tốc định mức: khi hoạt động ở tần số thấp, điện trở roto không thể bỏ qua so với trở kháng Lúc đó, để giữ nguyên mômen cực đại ở tần số thấp thì tỉ số điện áp/tần số cần thay đổi và có giá trị lớn hơn tỉ số ở chế độ định mức

Trường hợp vận hành động cơ với vận tốc lớn hơn vận tốc định mức: khi điều khiển vận tốc lớn hơn vận tốc định mức, điện áp stato sẽ được duy trì không đổi bằng định mức và tần số f được điều khiển tăng lên Động cơ sẽ làm việc ở chế độ non kích từ Khi đó, để tránh hiện tượng động cơ quá tải, mômen động cơ sẽ được điều khiển theo nguyên lý công suất không đổi Mômen cực đại sẽ giảm khi tần số tăng

3.1.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stato

Khi thay đổi điện áp stato của động cơ, đặc tính cơ của động cơ bị thay đổi và qua đó điều khiển được vận tốc động cơ

Phương trình đặc tính cơ của động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp:

Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản

Phạm vi điều chỉnh tốc độ của phương pháp thay đổi điện áp stato là tương đối hẹp Khi mômen tải bằng mômen định mức thì điện áp thấp nhất có thể giảm là 0,707Uđm Nếu mômen tải nhỏ hơn mômen định mức thì điện áp có thể giảm hơn nữa Do đó, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng hơn chỉ có ý nghĩa với động cơ không đồng bộ roto dây quấn Điện trở roto có giá trị cố định hoặc thay đổi

3.1.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto

Phương pháp này chỉ sử dụng cho động cơ không đồng bộ roto dây quấn Thông qua vành trượt của roto dây quấn, ta nối một biến trở ba pha vào roto dây quấn Với một mômen tải nhất định, điện trở phụ mắc vào roto càng lớn thì hệ số trượt ở điểm làm việc càng lớn, nghĩa là tốc độ càng giảm xuống

hình 3.2: thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto Nhược điểm: do bản thân công suất điện từ Pđt không đổi, dòng điện trên roto

I2 cũng không đổi nên một bộ phận công suất cơ trước kia đã biến thành hao tổn đồng m2 rf Vì lúc đó công suất đưa vào không đổi nên hiệu suất đã giảm Mặt khác, tốc độ điều chỉnh được nhiều hay ít còn phụ thuộc vào tải lớn hay tải nhỏ Do

đó, khi không tải không thể dùng phương pháp này điều chỉnh tốc độ được

Ưu điểm: ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, rẻ tiền, điều chỉnh trơn nên được sử dụng trong các động cơ công suất trung bình và các cơ cấu truyền động ngắn hạn, gián đoạn như trong cần trục

3.1.5 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều khiển công suất trượt trả về nguồn