Giáo trình Truyền động điện (Dùng cho hệ TCCN): Phần 2

Phần 2 Giáo trình Truyền động điện gồm nội dung các bài học: Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, chọn công suất động cơ điện. Giáo trình dùng cho hệ trung cấp chuyên nghiệp nghề Điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết giáo trình.

Bài 4: ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

* Mục đích

Cung cấp cho sinh viên kiến thức về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, nắm được sơ đồ nguyên lý, đặc tính cơ, phương trình đặc tính cơ cũng như một số thông số đặc trưng của điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng của từng phương pháp điều chỉnh

* Tóm tắt nội dung

Trình bày các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:

­ Điều chỉnh điện áp động cơ

­ Điều chỉnh xung điện trở mạch roto

­ Điều chỉnh công suất trượt

­ Điều chỉnh số đôi cực

­ Điều chỉnh tần số

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với động cơ khác

Sở dĩ như vậy là do động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn,

sử dụng nguồn cung cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ, đó

là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rất khó khăn hơn động cơ một chiều Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, động cơ KĐB mới được khai thác các ưu điểm của mình Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động tiristơ ­ động cơ một chiều

Trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng các phương pháp sau:

­ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi tiristơ

­ Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto

­ Điều chỉnh công suất trượt Ps

­ Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số tiristơ hay tranzito

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc, các đặc tính của hệ truyền động này

4.2 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ

Momen động cơ khồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số

Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) Nếu coi ĐAXC là nguồn áp lý tưởng (Zb = 0) thì căn cứ vào biểu thức momen tới hạn, có quan hệ sau:

dm

b th

u th

)U

U(M

M

 hay Mth,u* = ub*2 (5 ­ 1) Công thức (5 ­ 1) đúng với mọi giá trị của điện áp và momen

Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi:

trong đó: Um ­ điện áp định mức của động cơ

ub ­ điện áp đầu ra của ĐAXC

Mth ­ momen tới hạn khi điện áp là định mức

Mgh­ momen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf

Vì giá trị độ trượt tới hạn sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ nên nói chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto lồng sóc Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để

mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và momen Như thấy trên H.5 ­ 1b, 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 tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay

dm

)(ω

1



) Tổn thất cực đại khi  = 0:

Prmax = Mcđm  = Pđm

Như vậy, tổn thất tương đối trong mạch rôto là:

1 1

Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị trên H.5 ­ 2, ứng với từng loại phụ tải cơ có tính chất khác nhau

Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm li tâm Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc các bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC, trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn cả

4 3 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH RÔTO

Như đã phân tích ở phần đặc tính cơ KĐB, có thể điều chỉnh được tốc độ ĐKB bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto, trong mục này khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn mạch rôto bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh

Trên H.5 ­ 3a trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn mạch rôto bằng phương pháp xung Điện áp ur được chỉnh lưu bởi cầu điôt CL, qua điện kháng lọc L được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T1 Khoá T1 sẽ được đóng, ngắt một cách chu kỳ để 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 áp một chiều Khi T1 dẫn, điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên, khi T1

khóa điện trở R0 lại được đưa vào mạch, dòng điện rôto giảm Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có một giá trị điện trở tương đương Rtd trong mạch Thời gian ngắt tn = Tck ­ tđ (xem H.5 ­ 3b), nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn ta sẽ điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch rôto

P * r

*

0 0,5

1

X=1 X=2

Hình 5.2 Sự phụ thuộc giữa tổn thất rô to và tốc độ điều chỉnh

Rtd = R0   

tRtt

n d

d

Điện trở tương đương Rtd trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều ba pha ở rôto theo quy tắc bảo toàn công suất

4.4 ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRƯỢT

Trong trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách làm mềm đặc tính

và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt Ps = s.Pđt được tiêu tán trên điện trở rô to Ở các hệ thống truyền động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể

Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng

(b)

R

3R o /4 t

Có nhiều phương pháp xây dựng hệ thống nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp nối tầng dùng Tiristor (hình 5.6a)

Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì:

Ps = Mc.(1 ­ ) = Mc.1.s = Pđt.s (5.6)

s = Ps/Pđt

Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rôto được biểu diễn trên hình 5.6b Trong đó:

Pbđ : công suất được trả về lưới điện

Pbđ:tổn hao trong mạch biến đổi công suất trượt thành công suất điện có cùng tần số với điện áp lưới

Sức điện động rôto ur được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (uA, uB,

uC) có biên độ và tần số không đổi do được xác định bởi tần số và biên độ của lưới Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển  thay đổi từ 90o đến khoảng 140o, phần còn lại dành cho góc chuyển mạch  và góc phục hồi tính chất khoá  của van

Độ lớn của dòng điện rô to hoàn toàn phụ thuộc vào mô men tải của động cơ mà không phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu Cụm mạch chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc pha của dòng điện ở phía xoay chiều của nghịch lưu bằng cách thay đổi góc mở  Quá trình dòng điện và điện áp của bộ biến đổi được mô tả trên hình 5.6c cho trường hợp s = 1/3 Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau

Ud =

1 1

33

Trong đó: U1m: biên độ điện áp lưới

o: tốc độ không tải lý tưởng

1: tốc độ từ trường quay stato

Khi có tải Id  0 thì điện áp này giảm xuống do sụt áp chuyển mạch giữa các van trong cầu chỉnh lưu và do sụt áp trên điện trở dây quấn rô to

Ud =

1 1

33

R(

L

U

r

r r

e

o m

1 1 1

32

3

=

)X

R'ss(X

'sU

r

r o

3 1

(5.9)

Hình 5.4 Hệ thống nối tầng van điện

(a) Sơ đồ nguyên lý (b) Giản đồ năng lượng

B C

Độ trượt so gọi là độ trượt cơ bản của hệ thống khi không tải, độ trượt s' là do tải gây ra:

m

s

's)s

's(X

2 cuối cùng phương trình xác định mô men của hệ thống nối tầng van điện sẽ là:

M =

x x r

e

m

s

's)s

's(L)

U('

4.5 ĐIỀU CHỈNH SỐ ĐÔI CỰC

4.5.1 Nguyên lý điều chỉnh

Khi thay đổi số đôi cực của động cơ KĐB, tốc độ từ trường quay thay đổi, do

đó tốc độ rôto cũng thay đổi theo Quan hệ đó được thể hiện trong biểu thức sau:

 = 0(1­ s) = 2

(1 )

f s p



Trong đó: f ­ tần số lưới điện, p ­ số đôi cực (p =1, 2, 3, )

Để có thể thay đổi được số đôi cực, người ta phải chê tạo những động cơ đặc biệt, được gọi là động cơ đa cấp tốc độ Phổ biến nhất là loại động cơ hai cấp tôsc độ,

có thể thay đổi số đôi cực bằng hai phương pháp:

+ Đặt ở mạch stato của động cơ các tổ dây quán khác nhau, mỗi tổ dây quấn

 s t 0

song có nhược điểm là sơ đồ đổi nối đầu dây phức tạp và hai cấp tốc độ phụ thuộc nhau nhưng được sử dụng phổ biến

Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto loại này có thể tụ thay đổi số cực rôto theo stato Do đó số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp nhàng với stato

Sau đây ta khảo sát phương pháp thay đổi số đôi cực bằng cách đổi nối các phân đoạn dây quấn Ví dụ có một tổ nối dây stato gồm hai phân đoạn (1 pha) Nếu nối nối tiếp thuận cực các phân đoạn ta có p = 2 Nếu ta đổi nối thành song song ngược cực ta có p = 1 như hình vẽ dưới:

Hình 5.6: Thay đổi số đôi cực bằng cách đổi nối các phân đoạn dây quấn

Như vậy, bằng cách đổi nối đơn giản, ta có thể điều chỉnh được tố độ động cơ

từ tốc độ (không tải) 0 lên tốc độ 20

4.5.2 Các động cơ đa tốc và sơ đồ đổi nối thực tế

Các động cơ đa tốc thực tế được chế tạo với số đô cực từ 1 đến 12 tương ứng với các tốc độ không tải lý tưởng là 3000, 1500, … ,250 (v/p)

Các động cơ hai cấp tốc độ, một tổ dây quấn thường được chế tạo với n0 = 1500/3000; 750/1500; 500/1000 (v/p), còn các động cơ hai tổ dây quấn thì n0 = 500/1500; 1000/1500; 1000/3000; 750/3000 (v/p) Các động cơ 3 và 4 cấp tốc độ đều

có 2 tổ nối dây, các cấp tốc độ thường gặp là 750/1500/3000; 750/1000/1500; 500/750/1000/1500 (v/p)

Trong thực tế các động cơ 3 pha thường được đổi nối theo 2 cách;

+ đổi nối từ hình sao sang sao kép (Y  YY)

+ đổi nối từ hình tam giác sang sao kép (  YY)

Sơ đồ đổi nối được biểu diễn như hình vẽ:



*

Hình 5.7: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ  YY và Y  YY

Khi nối  hoặc Y hai đoạn dây quấn mỗi pha được đấu nối tiếp thuận cực, giả thiết khi đó p = 2 và tương ứng với tốc độ đồng bộ 0 Khi đổi nối thành YY, các đoạn dây được nối song song ngược cực ( giống như hình 5.7) nên p = 1 và tốc độ là 20

Để dựng các đặc tính điều chỉnh, ta cần xác định các trị số Mth, sth và 0 cho từng cách nối dây

* Đối với trường hợp đổi nối:   YY, ta có các quan hệ sau Khi nối , hai

đoạn dây stato nôi nối tiếp nên:

Nếu đổi nối thành YY thì:

R1YY = r1/2; X1YY = x1/2; R2YY = r2/2; X2YY = x2/2 (5.17) Điện áp trên dây quấn mỗi pha là UfYY = u1, vì vậy:

* Đối với trường hợp đổi nối: Y  YY, phân tích tương tự Khi nối Y, các

đoạn dây nối nối tiếp và điện áp trên các pha là U1, nên ta có:

' 2



2 1

4.6 ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ NGUỒN CẤP CHO ĐỘNG CƠ

4.6.1 Mụ tả động cơ KĐB dưới dạng cỏc đại lượng vộc tơ

4.6.1.1 Khi điều chỉnh tần số động cơ KĐB:

Thường kộo theo điều chỉnh điện ỏp, dũng điện hoặc từ thụng mạch stato, do tớnh chất phức tạp của cỏc quỏ trỡnh điện từ trong động cơ KĐB nờn khụng thể sử dụng trực tiếp cỏc phương trỡnh, biểu thức đó phõn tớch cho trường hợp điều chỉnh tần

số Để thuận tiện cho việc khảo sỏt hệ thống điều chỉnh tần số, dưới đõy trỡnh bày phương phỏp đỏnh giỏ cỏc quỏ trỡnh điện từ dưới dạng cỏc vộc tơ

Trong động cơ KĐB, cú ớt nhất 6 cuộn dõy trờn mạch từ, phương trỡnh cõn bằng điện ỏp của mỗi cuộn như sau:

uk = Rkik +

dt

dk

(5.22) Trong đó : k là tên của dây quấn

Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ

qua tổn hao sắt thì Mđiện từ của động

cơ là: M =  

1 k

k k

dây quấn pha rô to, góc lệch giữa dây

quấn rô to và dây quấn stato là  thì tốc

độ là đạo hàm theo gúc lệch này,  =

Với : Ls1, Lr1: điện cảm tự cảm của từng dây quấn stato, rôto

Ms,Mr : hỗ cảm giữa các dây quấn stato, giữa các dây quấn rôto với nhau Hỗ cảm giữa dây quấn stato với dây quấn rô to phụ thuộc vào góc lệch không gian giữa hai dây quấn này Hỗ cảm giữa hai dây quấn cùng pha ở stato sẽ đạt cực đại khi trục của hai dây quấn trùng nhau, tương ứng lúc đó có điện cảm hỗ cảm M:

ii

i, ir =

ii

i, us =

uu

u, ur =

uu

u (5.29)

RRR

00

00

00

RRR

00

00

00

1

s s s

s s

s

s s

s

LMM

ML

M

MM

1

r r r

r r

r

r r

r

LMM

ML

M

MM

/cos(

)/cos(

)/cos(

cos)

/cos(

)/cos(

)/cos(

cos

323

2

323

2

323

m s

L)

(L

)(LL

dt

d)(Ldt

dLR

r r

t m

m s

4.6.1.2 CHUYỂN VỊ TUYẾN TÍNH CÁC PHƯƠNG TRèNH

Việc giải trực tiếp các phương trình (5.31), (5.32) rất khó khăn nên thường chuyển vị các phương trình này sang hệ toạ độ khác sao cho sự biến thiên của các hệ

số bị loại bỏ Ba dòngđiện pha của động cơ lệch pha nhau về thời gian là 2/3, chúng lại được đặt lệch nhau một góc 2/3 trong không gian, như thế ở từng thời điểm khác nhau tổng của ba dòng điện này gọi là véc tơ dòng điện không gian có biên độ không đổi | is| nhưng góc lệch khác nhau

Véc tơ dòng điện không gian is có thể xác định được nếu biết ba véc tơ dòng điện pha (ia, ib, ic) (hình 5.11c)

is = Re{iS} =

3

1(2ia ­ ib ­ ic) = ia nếu hệ ba pha đối xứng = Re{iS} + iso nếu hệ ba pha không đối xứng

Trong đó: iso là thành phần thứ tự không: iso =

3

1(ia + ib + ic) (5.35) Cho hệ trục toạ độ vuông góc, trên đó biểu diễn véc tơ dòng điện không gian, quay với tốc độ k nào đó và gọi đó là trục w = (u, v, 0) Vị trí của hệ trục w sẽ là: k

= ok + kt và véc tơ dòng điện không gian trong hệ trục mới là isw = is j k

e  , các thành phần của dòng điện trong hệ trục mới được tính:

isu = Kdiacosk + ibcos(k ­ 2/3) + iccos(k + 2/3)

isv = Kqiasink + ibsin(k ­ 2/3) + icsin(k + 2/3)

Hình 5.11 Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ toạ độ quay

ia =

d

K

13

2

isvsink +

o

K3

2

isvsin(k ­ 2/3) +

o

K3

2

isvsin(k + 2/3) +

o

K3

1

iso

Tương tự như trên có thể chuyển vị điện áp ba pha thành hai pha (u, v, 0) Các đại lượng ở mạch rô to cũng có thể được chuyển vị sang hệ (u, v, 0) với thủ tục giống hệt như trên, chỉ cần để ý rằng dây quấn rô to đang ở vị trí  nên ở các biểu thức thay

3

3 Theo thủ tục đã nêu ở (5.36) có thể tính được các thành phần của từ thông stato trong hệ (u, v, 0):

rô to trong hệ (u, v, 0):

ru = Lruiru + Lmisu (5.42)

(jdt

d[L

)jdt

d(L)

jdt

d(LR

k r

r k

m

k m

k s

Do cách chuyển vị các véc tơ mà các hệ số của các phương trình chỉ còn phụ thuộc vào tốc độ quay của rô to, trong các trường hợp củ thể có thể dễ dàng giải được các phương trình này Trong thực tế tính toán thường chọn cố định cố định tốc độ quay của hệ k = const và thấy bằng các giá trị đặc biệt:

(1) k = 0, hệ toạ độ đứng yên, ký hiệu là hệ trục (, , 0)

(2) k = , hệ toạ độ gắn chặt vào rô to, ký hiệu là hệ trục (d, q, 0)

(3) k = o, hệ toạ độ gắn chặt vào từ trường quay, ký hiệu là hệ trục (x, y, 0)

Nếu máy điện có số đôi cực p' >1 thì các đại lượng cơ học được tính đổi :

 = jp';  = jp'; M = Mj/p'; Mc = Mcj/p'; I = Ij/p' (5.45) Việc tính đổi các đại lượng ở mạch rô to thực hiện như sau, nếu số vòng dây ở dây quấn stato và rô to khác nhau:

s i'N

r R'N

r L'N

N

2

2

(5.46)

Trong đó: Ns, Nr: số vòng dây tác dụng của dây quấn stato, rô to

ms,mr : số pha stato, rô to

Ở chế độ xác lập có thể viết lại hệ (5.44) khi đặt d/dt = 0 và các véc tơ không gian được thay thế bằng số phức, ví dụ trong hệ toạ độ (x, y, 0) thì:

Trong đó s = o ­  là tần số trượt của động cơ

Nhân cả hai vế phương trình thứ hai với 1/s ta được hệ sau:

Và ta tìm lại được sơ đồ thay thế của động cơ KĐB trong hệ toạ độ quay đồng

bộ với từ trường quay như trên hình 5.13

Từ sơ đồ thay thế trên có thể tìm được các đại lượng vật lý của động cơ KĐB theo cách tính một sơ đồ mạch thông thường

Biên độ véc tơ dòng điện stato: Is = IsI*s =

)s(F

L)

R(

r

o s

2 2

s r

s s o

r s

L)

R(L

r

o

m s

2 2

L)

R(L

r

o

s s

2 2

RLU

s

r m o

s

2

2 2

Trong nhiều trường hợp có thể tính mô men động cơ qua dòng điện stato hoặc qua dòng điện rô to:

s r

r r

r

R

LL

R

)(L

m

LL

L2

4.6.2 Điều chỉnh tần số - điện áp

4.6.2.1 Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải :

Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện, của động cơ không thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với hệ truyền động biến tần nguồn áp ­ động

cơ thường có yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải về mô men không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Mô men cực đại mà động cơ sinh ra chính là mô men tới hạn Mth, khả năng quá tải về mô men được quy định bằng hệ số quá tải mô men M: M =

Mth/M

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato Rs (coi

Rs =0) thì từ (5.53) có thể tính được mô men tới

hạn như sau:

Mth =

2

2 2

2

s r

U

 )

2

(5.55) Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là:

U đm ,f đm



 0đm

 đm  0 

Hình 5.14: Xác định khả năng quá

tải về mômen Hình 5.13