Nghiên cứu về biến tần trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha và xây dựng bài TN về điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần

Trong các ngành sản xuất công nghiệp nói chung và sản xuất chế biến thức ăn chăn nuôi nói riêng, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ do khi khởi động rotor ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU VỀ BIẾN TẦN TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA VÀ XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG BIẾN TẦN

HÀ NỘI – 2016

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của bản thân tôi cònnhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình của các tập thể, cá nhântrong và ngoài trường

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo đãgiảng dạy và dẫn dắt tôi trong suốt những năm vừa qua

Xin trận trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Sinh viên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH v

LỜI MỜ ĐẦU vii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 1

1.1 Khái quát chung 1

1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha 1

1.2.1 Phần tĩnh 2

1.2.2 Phần quay 3

1.2.3 Khe hở 4

1.2.4 Những đại lượng ghi trên động cơ 4

1.3 Cách đấu dây của động cơ 4

1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 6

1.5 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ và phương trình đặc tính cơ 7

1.5.1 Sơ đồ thay thế 7

1.5.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha 10

1.6 Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ 15

1.6.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp cho động cơ 15

1.6.2 Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto (R2 + R2f) 16

1.6.3 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ 16

1.6.4 Ảnh hưởng của số cặp cực P 18

1.6.5 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch Stato 18

1.7 Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha 19

1.7.1 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi thyristor 19

1.7.2 Điều chỉnh điện trở mạch rôto 22

1.7.3 Điều chỉnh tần số nguồn cấp 25

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ BIẾN TẦN TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 28

2.1 Giới thiệu chung về biến tần 28

2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của biến tần gián tiếp 28

2.2.1 Cấu trúc và sơ đồ khối 28

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 29

2.3 Chức năng của một số khối cấu tạo chính 30

2.3.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha 30

2.3.2 Nghịch lưu điện áp 3 pha 31

2.4 Tìm hiểu biến tần Lenze 8400 StateLine C Drive 35

2.4.1 Sơ lược về hãng biến tần Lenze 35

2.4.2 Giới thiệu chung về biến tần Lenze 8400 StateLine C Drive 36

2.4.3 Cấu tạo 39

2.4.4 Các thông số kĩ thuật 43

2.4.5 Các chỉ dẫn an toàn và những lưu ý khi làm việc với biến tần 44

2.4.6 Cách đấu nối, thao tác và các thiết lập cơ bản 45

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG BIẾN TẦN 48

3.1 Khái quát chung về các bài thí nghiệm 48

3.1.1 Khái quát chung 48

3.1.2 Tìm hiểu các thiết bị có trong bàn thí nghiệm 48

3.2 Bài thí nghiệm số 1: Khảo sát mối quan hệ giữa tần số và điện áp khi sử dụng biến tần ở chế độ điều khiển U/f 52

3.2.1 Mục đích, yêu cầu 52

3.2.2 Cơ sở lý thuyết 52

3.2.3 Nội dung thí nghiệm 53

3.3.1 Mục đích, yêu cầu 59

3.3.2 Cơ sở lý thuyết 59

3.3.3 Nội dung thí nghiệm 61

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 1

Hình 1-2: (a) Mặt cắt ngang stato; (b) Lá thép kĩ thuật điện; (c) Stato của động cơ 2

Hình 1-4: Hộp đấu dây quấn stato hình sao 5

Hình 1-5: Hộp đâu dây quấn stato theo hình tam giác 6

Hình 1-6: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của động cơ không đồng bộ 7

Hình 1-7: Sơ đồ thay thế đơn giản 8

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ 9

Hình 1-9: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ 3 pha 10

Hình 1-10: Đặc tính dòng điện rôto 11

Hình 1-11: Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ 12

Hình 1-12: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 14

Hình 1-13: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ .15

Hình 1-14: (a) Sơ đồ đấu dây; (b) Đặc tính cơ 16

Hình 1-15: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ 17

Hình1-16: Đặc tính cơ khi thay đổi số cặp cực của động cơ không đồng bộ.18 Hình 1-17: Động cơ không đồng bộ với Rf và Xf trong mạch stato 19

Hình 1-18: Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ 20

Hình 1-19: Sự phụ thuộc giữa rôto và tốc độ điều chỉnh 21 Hình 1-20: Điều chỉnh điện trở rôto nhờ bán dẫn để thay đổi tốc độ động cơ23

Hình 2-1: Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp 29

Hình 2-2: Chỉnh lưu cầu một pha 30

Hình 2-3: Sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha 32

Hình 2-4: Đồ thị dòng áp điện ra nghịch lưu và góc dẫn λ=1800 32

Hình 2-5: Sơ đồ thay thế trong quá trình chuyển mạch nghịch lưu điện áp ba pha đấu tải sao 33

Hình 2-6: Biến tần Lenze 8400 StateLine 35

Hình 2-7: Biến tần Lenze 8400 StateLine C Drive 37

Hình 2-8: Sơ đồ khối của biến tần Lenze 8400 38

Hình 2-10: LCD-keypad 39

Hình 2-11: Cấu tạo bên trong của biến tần 40

Hình 2-12: Bộ chỉnh lưu 41

Hình 2-13: Tuyến dẫn một chiều 41

Hình 2-14: IGBT 42

Hình 2-15: Sơ đồ nối dây của biến tần Lenze 8400 45

Hình 2-16: Các bước thiết lập cơ bản cho biến tần 47

Hình 3-1: Các thiết bị sử dụng trong bàn thí nghiệm 49

Hình 3-2: Panel thí nghiệm biến tần 50

Hình 3-3: Xác định khả năng quá tải về mômen 52

Hình 3-4: Lắp đặt bàn thí nghiệm 54

Hình 3-5: Màn hình hiển thị để chọn các chế độ 55

Hình 3-6: Màn hiển thị chế độ Load Lenze setting 56

Hình 3-7: Kích hoạt thiết lập LoadLenze 56

Hình 3-8: Đồ thị điện áp đầu ra của biến tần 58

Hình 3-9: Động cơ không đồng bộ 3 pha 60

Hình 3-10: Các bước thiết đặt tốc độ cho băng chuyền 63

Hình 3-12: Kết quả quan sát thực nghiệm khi chỉ cắm DI1 64

Hình 3-13: Kết quả quan sát thực nghiệm khi chỉ cắm DI2 64

Hình 3-14: Kết quả quan sát thực nghiệm khi cắm đồng thời DI1 và DI2 65

LỜI MỜ ĐẦU

Hiện nay, nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, cácngành công nghiệp đang được chú trọng và phát triển Trong nhà máy, cácmáy móc, dây chuyền sản xuất tự động, cơ cấu nâng hạ v.v… ngày càngnhiều, chúng làm cho hiệu quả công việc cũng như năng suất lao động tăng,giảm thiểu chi phí sản xuất và nhân lực Do vậy đối với các ngành côngnghiệp thì tự động hoá là không thể thiếu, tự động hoá càng phát triển thìcàng làm cho quá trình sản xuất trở lên đơn giản Điều đó dẫn đến một thực tế

là nước nào có trình độ về tự động hoá càng phát triển thì nước đó có nền sảnxuất tiên tiến và giàu mạnh

Ngoài ra, tự động hoá còn đem lại nhiều lợi ích cho mọi người trongcuộc sống Ví dụ như: cầu thang máy, robot vv… là những thứ quen thuộctrong sinh hoạt hàng ngày của chúng ta Như vậy tự động hoá không chỉ manglại hiệu quả trong công nghiệp mà còn phục vụ rất tốt cho nhu cầu sinh hoạtcủa mọi người

Tự động hoá là một ngành khá mới ở nước ta nhưng chính vì những lợiích to lớn của nó mang lại nên việc xây dựng và phát triển nền tự động hoácủa nước nhà là vấn đề cấp thiết hiện nay

Qua quá trình nghiên cứu và thực tập tại phòng thí nghiệm của Bộ môn

Hệ thống điện, khoa Cơ Điện - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, tôi xin làm

đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng của biến tần trong điều khiển tốc

độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần”.

Trong thời gian thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ và hướngdẫn tận tình của các thầy cô trong khoa Cơ Điện – Học viện Nông nghiệp Việt

Nam, các bạn bè trong lớp và đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của cô Ths.

Nguyễn Thị Huyền Thanh.

Tuy vậy, bản thân tôi nhận thấy mình còn nhiều thiếu sót về kiến thức vàthực tiễn, cần phải học hỏi thêm nhiều Do đó đồ án tốt nghiệp có thể chưathật đầy đủ và không tránh khỏi những sai sót Chính vì vậy tôi rất mong cácthầy, cô giáo đưa ra ý kiến nhận xét và góp ý để tôi có thể rút kinh nghiệmcũng như nâng cao khả năng chuyên môn của mình Để khi ra trường tôi cóthể đảm nhiệm những công việc được yêu cầu.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ 3 PHA

1.1 Khái quát chung

Động cơ không đồng bộ 3 pha hay còn gọi là động cơ dị bộ, được ứngdụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình.Chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm:

chế tạo, vận hành an toàn, tin cậy giảm chi phí vận hành sửa chữa

thiết bị biến đổi Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của côngnghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử

1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha gồm hai phần chính:

Hình 1-1: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

- Rôto kiểu dây quấn: Có dây quấn giống như dây quấn stato và có số cực

bằng số cực ở stato Trong động cơ trung bình và lớn dây quấn được quấntheo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ.Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn bapha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vòngtrượt bằng đồng thau gắn trên trục của rôto Ba vòng trượt này cách điệnvới nhau và với trục, tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than Thông qua chổithan có thể đưa điện trở phụ vào mạch rôto, có tác dụng cải thiện tínhnăng mở máy, điều chỉnh tốc độ, hoặc cải thiện hệ số công suất của máy

- Rôto lồng sóc: Có kết cấu dây quấn rất khác với dây quấn stato Với loại

rôto lồng sóc công suất trên 100kW, trong các rãnh của lõi thép đặt cácthanh đồng, hai đầu các thanh này nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạothành lồng sóc Với loại rôto lồng sóc công suất nhỏ, lồng sóc được chếtạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rôto, tạo thành các thanhnhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch

Hình 1-3: Dây quấn rôto kiểu lồng sóc

1.2.3 Khe hở

Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều, khe hở trong máy điện khôngđồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 mm đến 1 mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạnchế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào, và làm như vậy có thể làm cho hệ sốcông suất của máy tăng cao

1.2.4 Những đại lượng ghi trên động cơ

1.3 Cách đấu dây của động cơ

Tuỳ theo điện áp của lưới điện mà ta đấu dây stato theo hình sao (Y) hayhình tam giác () Mỗi động cơ điện ba pha gồm có ba dây quấn pha, khi thiết

kế người ta đã quy định điện áp định mức cho mỗi dây quấn Động cơ làmviệc phải đúng với điện áp quy định ấy Để thuận tiện cho việc đấu động cơ,người ta ký hiệu 6 đầu dây của ba dây quấn động cơ AX, BY, CZ và đưa 6đầu dây nối ra 6 bu lông (1….6) ở hộp dây trên vỏ động cơ Cách đấu 6 đầu

Động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 220V

hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính Bađiểm đầu nối với nguồn

Cách đấu dây hình sao như hình 1-4

Hình 1-4: Hộp đấu dây quấn stato hình sao

Hình 1-5: Hộp đâu dây quấn stato theo hình tam giác

Trong cách nối tam giác:

Ud = Up ; Id = √ 3 Ip (1.2)Khi đó điện áp vào mỗi dây quấn là 220V

1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Khi nối dây quấn stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, hệ thống dòngxoay chiều ba pha chạy vào dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ:

Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rôto cảm ứng trong dây quấn

lực tác dụng tương hỗ tạo thành mô men M tác dụng lên rôto làm nó quay vớitốc độ n theo chiều quay từ trường (dùng quy tắc bàn tay trái để xác địnhchiều của lực và do đó chiều của mômen M tác dụng lên rôto)

Hình 1-6: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của động cơ không đồng bộ

Tốc độ rôto (ω) không bao giờ lớn được bằng tốc độ từ trường quay (ω) không bao giờ lớn được bằng tốc độ từ trường quay (ω) không bao giờ lớn được bằng tốc độ từ trường quay (ω 1)

mà phải nhỏ hơn, có như vậy mới có sự chuyển động tương hỗ giữa tốc độ từ

của rôto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường nên gọi là động cơ không đồng

bộ Giữa tốc độ từ trường và tốc độ rôto có liên quan qua tỉ lệ:

E20= 4.44 f1W2φmaxKdq2 (1.5)

Trong đó:

Với E20 là trị số hiệu dụng của sức điện động trong 1 pha dây quấn rôtokhi nó đứng yên Khi roto quay với tốc độ ω) không bao giờ lớn được bằng tốc độ từ trường quay (ω thì từ trường chỉ quay với tốc độlà: n1 – ω) không bao giờ lớn được bằng tốc độ từ trường quay (ω = s ω) không bao giờ lớn được bằng tốc độ từ trường quay (ω 1 Tần số lúc đó là:

f2 =(ω1−60ω)p=(ω1 −ω

n1 ). ω1p

60 (1.6)Vậy: f2 = sf1

Sức điện động cảm ứng trong dây quấn rôto khi nó quay là:

E2 S= 4 44 f2W2φmaxKdq2 (với f

2 = sf1) (1.7)Vậy ta có: E2s = sE20

Mặt khác dòng điện chạy trong dây quấn rôto do sức điện trong dây quấnsinh ra, ngoài việc gây nên từ trường quay rôto nó còn gây nên từ thông tản

rôto có cùng tần số f và được đặc trưng bằng điện áp rơi trên điện kháng tản

XT2

XT2 = LT2 = 2 fLT2

XT2s= 2LT2 = 2 sLT2

Khi rôto quay thì điện kháng tản trong dây quấn rôto lớn gấp s lần điện khángtản dây quấn rôto khi nó đứng yên Ta có sơ đồ thay thế như hình 1-7

Hình 1-7: Sơ đồ thay thế đơn giản

bằng điện áp của dây quấn rôto là:

Nhân cả hai vế với: 1s e j(ω1t +ω2t)

Sau đó rút gọn ta được: O=− ´E2−´I2(R2+j X2+R21−s

s ) (1.10)

Sau khi quy đổi tần số mạch rôto ta thấy xuất hiện 1 điện trở giả tưởng:

R21−s

thế một pha động cơ không đồng bộ

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:

quy đổi về phía stato

rôto đã quy đổi về phía stato

- Ith, I1, I2’ là các dòng điện từ hoá, dòng điện stato, dòng điện rôto đã quyđổi về stato.

1.5.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha

ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ Tuy nhiên, để xây dựngphương trình đặc tính cơ cần thỏa mãn các điều kiện sau:

độ, điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không

Với những giả định trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ

Hình 1-9: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ 3 pha

Trong đó:

Rth, R1, R2’ là điện trở tác dụng từ hoá, điện trở stato và điện trởrôto đã quy đổi về phía stato (Ω););

điện kháng rôto đã quy đổi về phía stato (Ω););

Với hệ số quy đổi như sau:

X’

2 = Ku2.X2; I’

2 = Ki I2; R2’ = Ku2.R2 (1.11)Trong đó:

Ku =U j

E w=

W1K dq1

W2K dq2 (1.12)Với:

Hình 1-10: Đặc tính dòng điện rôto

cần chú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phíarôto Ta có dòng điện phía stato là:

Hình 1-11: Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựavào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ Ta có công suất điện từchuyển từ stato sang rôto là:

Pđt = M.1 (1.20)Với M là mômen điện từ của động cơ

Pcơ: Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ Pcơ = Mcơ. (1.21)

P2: Công suất tổn hao đồng trong rôto P2 = 3 I2' 2 R2' (1.22)Với: I2’¿ U1

√(R1+R2)2+X nm2

Ta có: Pđt = Pcơ + P2 (1.23)Thay (1.20), (1.21), (1.22) vào phương trình (1.23) ta có:

M =

3 U12R2'

s ω1[ (R1+R2'

s )2]+X nm2 (1.25)Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Để vẽđường dặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn thông qua

việc giải phương trình:dM ds = 0 Ta tìm được trị số của M và S ở điểm cực trị:

kí hiệu là Mtới hạn (Mth) và giá trị Stới hạn (Sth) Cụ thể là:

Dấu “+” ứng với trạng thái động cơ

Dấu “-” ứng với trạng thái máy phát

Khi nghiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người taquan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ Với những động cơ công

M =2 M th s th

s (1.32)Khi s = 1  M = Mnm = 2.Mth.sth

Hình 1-12: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ khôngđồng bộ thường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 → D

1.6 Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ không đồng bộ:

1.6.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp cho động cơ

giảm theo tỷ lệ thuận với bình phương điện áp

2π.f1

thay đổi Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp này như hình 1-13

Hình 1-13: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ

dạng phụ tải không đổi: quạt gió, máy bơm ly tâm Không thích hợp với phụtải thay đổi

1.6.2 Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto (R2 + R2f)

Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, sử dụng bộ điều

a) b)

Hình 1-14: (a) Sơ đồ đấu dây; (b) Đặc tính cơ

tăng lên Sau đó mômen khởi động sẽ giảm Do đó căn cứ vào điều kiện khởiđộng và đặc điểm của phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp

1.6.3 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn

Nên Sth sẽ giảm theo tỉ lệ bậc nhất với f1.

Vì X1 = 1L1 ; X2' = 1L2' nên mômen tới hạn sẽ giảm:

Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc

bền cơ khí của động cơ

Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:

f1 giảm  t giảm  sth tăng  Mth tăng Xnm giảm

Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp như hình 1-15

Hình 1-15: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ.

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổngtrở của mạch giảm (vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số), với giá trịđiện áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảmtần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế

độ định mức Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

- Khi f1< f1đm với điều kiệnU1

f1 = const thì Mth giữ ở không đổi

- Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

1.6.4 Ảnh hưởng của số cặp cực P

Để thay đổi số cặp cực ở stato người ta thường thay đổi cách đấu dây:

Từ công thức:

 =2 π ⋅f1 và  =  (1- s) (1.38)

Ta thấy thay đổi số cặp cực P thì 1 thay đổi dẫn đến tốc độ động cơ

cứng đặc tính cơ giữ nguyên

Nhưng khi thay đổi số cặp cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stato nên

a) b)

Hình1-16: Đặc tính cơ khi thay đổi số cặp cực của động cơ không đồng bộ

a) Thay đổi số cặp cực với P 2 = P 1/2 và M th = const

b) Thay đổi số cặp cực với P 2 = P 1/2 và P 1 = const

1.6.5 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch Stato

giảm

Do đó đặc tính cơ có dạng:

a) b) c)

Hình 1-17: Động cơ không đồng bộ với R f và X f trong mạch stato

(a) Sơ đồ với R 1f ; (b) Sơ đồ với X 1f ; (c) Đặc tính cơ

trong mạch stato khi khởi động

1.7 Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

Trong công nghiệp những phương án thường sử dụng để điều chỉnh tốc

độ động cơ không đồng bộ:

1.7.1 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi thyristor

Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do

đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ ba phabằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số

a) b)

Hình 1-18: Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ ba pha phải dùng các bộbiến đổi điện áp xoay chiều Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tưởng

M th u

M th =( U b

U đm)2 hay Mth* = Ub*2 (1.39)Công thức trên đúng với mọi giá trị điện áp và mômen Nếu tốc độ quaycủa động cơ là không đổi:

Mth* = Ub*2 ;  = const ; Mu =M M u

gh

Trong đó:

chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto lồng sóc Khi điềuchỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn, cần nối thêm điện trở phụ vào mạchrôto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mômen

Trên hình 1-18b ta thấy, tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm

độ cứng đặc tính cơ, trong khi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tínhnhư nhau và bằng tốc độ từ trường quay Tổn thất khi điều chỉnh là:

Pr = Mcđm (ω ω1) .1(1 - ω

ω1 ) (1.42)Tổn thất là cực đại khi  = 0:

Prmax = Mcđm. = Pđm (1.43)Như vậy tổn thất tương đối trong mạch là:

∆ P1

ω1 =(ω ω1)x .(1− ω

ω1) (1.44)

Pr* = (*)x (1 - *) (1.45)Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị như hình 1-19

Hình 1-19: Sự phụ thuộc giữa rôto và tốc độ điều chỉnh

Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động màmômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm Có thể dùngbiến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm điện áp xoay chiều.Trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổbiến hơn cả

1.7.2 Điều chỉnh điện trở mạch rôto

Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách điềuchỉnh điện trở mạch rôto, bằng bộ biến đổi xung thyristor, ta sẽ khảo sát việc

Điện trở trong mạch rôto động cơ không đồng bộ:

Rr = Rrd + Rf (1.46)Trong đó:

Rrd: điện trở dây quấn rôto (Ω););

Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơkhông thay đổi và độ trượt giới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở Nếu coi đoạnđặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha, tức là đoạn có độ trượt

từ s = 0 đến s = sth là thẳng, khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết:

s = si

R r

R rd ; M = const (1.47)Trong đó:

si: Độ trượt khi điện trở mạch rôto là Rrd.Mặt khác ta có:

M =3 I r2R r

ω1S  biểu thức tính mômen: M =3 I r2R rd

ω1S i (1.48)Nếu giữ dòng điện không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụthuộc vào tốc độ động cơ Vì thế có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnhđiện trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi

Trên hình 1-20a trình bày sơ đồ nguyên lý điều chỉnh trơn điện trở mạch

điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch

Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung

giảm Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto

gian ngắt:

tn = T – tđ (1.49)

điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch rôto

Re =R0 t d

t d+t n+R0

t d

T=R0ρ (1.50)

xoay chiều ba pha ở rôto theo quy tắc bảo toàn công suất Tổn hao trong mạchrôto nối theo sơ đồ trên là:

Rf =12Re = R0

2 (1.54)

Khi đã có điện trở tính đổi ta sẽ dựng được đặc tính cơ theo phương phápthông thường, họ các đường đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạnbởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ.

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen có thể mắc nối tiếp với điện trở

độ và dòng điện rôto được tiến hành tương tự như hệ điều chỉnh điện áp

bằng cách thay đổi điện trở phụ có những ưu điểm sau:

mạch rôto

Mặc dù có các ưu điểm trên nhưng vẫn còn các nhược điểm:

cơ cấu nâng, cần trục, thang máy và máy xúc

1.7.3 Điều chỉnh tần số nguồn cấp

Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện…của động cơthay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá

suốt dải điều chỉnh tốc độ Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là

M =M th M

Hình 1-21: Xác định khả năng quá tải về mômen

M =M th

M =M thđm

M đm (1.56)Thay (1.55) vào (1.56) và rút gọn ta được:

Mc = Mđm ( ω0

ω0 dm)x (1.58)

Từ (1.57) và (1.58) rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ sốquá tải về mômen là không đổi:

Vậy, khi thay đổi tần số và điện áp theo các quy luật trên thì tốc độ động

cơ sẽ thay đổi theo mà vẫn đảm bảo không bị quá dòng gây nóng trục độngcơ

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ BIẾN TẦN TRONG ĐIỀU KHIỂN

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

1

2.1 Giới thiệu chung về biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi tần số của dòng điện xoay chiều từ tần số

khác Biến tần thường được chia thành hai loại:

mỗi lần nối tải vào nguồn bằng một phần tử đóng ngắt duy nhất trong mộtkhoảng thời gian nhất định, không thông qua một khâu năng lượng trunggian nào

dùng bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay thành dòng điện một chiều sau đólại dùng bộ nghịch lưu biến đổi dòng điện một chiều thành nguồn điệnxoay chiều Khâu trung gian một chiều đóng vai trò một khâu tích lũynăng lượng dưới dạng nguồn áp dùng tựu điện hoặc nguồn dòng dùngcuộn cảm tạo ra một khâu cách ly nhất định giữa phụ tải và nguồn điện.Trong bài này chúng ta chỉ nghiên cứu về biến tần gián tiếp

2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của biến tần gián tiếp

Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.

- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở

không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.

2.2.1 Cấu trúc và sơ đồ khối

Các bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ khối như hình 2-1 Bộ biến tần gồmcác khâu: Chỉnh lưu (CL), mạch lọc (L) và nghịch lưu độc lập (NLĐL) Như

vậy, để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều, do đó nó cótên là biến tần gián tiếp.

Hình 2-1: Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp

Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bán điềukhiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải

Nghịch lưu độc lập là thiết bị để biến dòng điện một chiều thành dòngđiện xoay chiều có tần số cố định hoặc biến thiên

Ngày nay, biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điềuchỉnh tần số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng Hơn nữa với sự ứng dụngđiều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các loại transisto đãcho phép phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này Vì vậy đa số cácbiến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều

Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì qua hailần biến đổi) Công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn Nếu dùngvan thyristor vẫn có một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoávan

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Biến tần gián tiếp hoạt động theo nguyên lý sau : Điện áp xoay chiều tần

số công nghiệp (50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnhlưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc quamạch lọc (L) thành nguồn 1 chiều bằng phẳng, công đoạn này được thực hiệnbởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện, nhờ vậy hệ số công suất cosφ của biếntần không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0,96 Điện áp một chiều