đồ án thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto long soc, thiét ke bien tan cong nghiep, do an tot nghiep, danh cho sinh vien ky thuat tham khao, đại họcthiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto long soc, thiét ke bien tan cong nghiep, do an tot nghiep, danh cho sinh vien ky thuat tham khao, đại họcthiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto long soc, thiét ke bien tan cong nghiep, do an tot nghiep, danh cho sinh vien ky thuat tham khao, đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHÊ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIÊT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIÊM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIÊP

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNHNgành : Điện kỹ thuật Khóa : 35

1 Tên đề tài : Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.

2 Các số liệu thiết kế:

Thiết kế cho máy 3 pha có công suất 17kW, nối với lưới 380/220V

3 Nhiệm vụ thiết kế:

- Tổng quan về động cơ không đồng bộ roto lồng sóc;

- Phân tích, lựa chọn mạch động lực;

- Thiết kế mạch điều điều khiển;

- Xây dựng mô hình kiểm nghiệm

4 Các bản vẽ A0:

Gồm có 04 bản vẽ A0:

- Bản vẽ thể hiện động cơ không đồng bộ roto lồng sóc;

- Bản vẽ thể hiện mạch động lực;

- Bản vẽ thể hiện nguyên lý điều khiển;

- Bản vẽ thể hiện mạch điều điều khiển

5 Cán bộ hướng dẫn: ThS Lê Thái Hiệp

Ngày giao đề: 29/09/2016 Ngày hoàn thành: 29/12/2016

Lời nói đầu

Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trởthành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế,nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ

Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thayđổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực tự động hóa Công nghệ tự động hóa (TĐH)

đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân cônglao động, hạ giá thành sản phẩm Hơn nữa tự động hóa còn giúp con người tránhphải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia Chính vì vậy tự động hóangày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong côngnghiệp

Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếmmột tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làm việc chắcchắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải côngsuất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW Tuy nhiên các hệ điều chỉnhtốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều.Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt,Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơkhông đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn

Nội dung đồ án này là thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộroto lồng sóc Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương phápđiều khiển bằng tần số và qua tìm hiểu khảo sát các bộ biến tần thực tế hiệnnay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đềxuất ra mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các

hệ truyền động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế

Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiểnvòng hở động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triểntrong tương lai

Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Kỹ Thuật

& Công Nghệ đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở đểhoàn thành đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học

Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn ThS Lê Thái Hiệp đãtận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoànthành tốt đề tài này.

Trong quá trình nghiên cứu, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên khôngtránh khỏi sai sót, kính mong sự giúp đỡ của các thầy cô để đề tài này được hoànthiện hơn

Quy Nhơn, Ngày 29 tháng 12 năm 2016

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái niệm chung

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba phaĐộng cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng nhưtrong sinh hoạt Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện một chiều, vìchúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắcnghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã mở

+ Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ làmcho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều.

+ Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm

+ Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như khiđiện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức

1.2 Tổng quan về động cơ không đồng bộ

1.2.1 Cấu Tạo

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: dây quấn sơcấp nhận điện áp lưới với tần số f1, dây quấn thứ cấp được khép kín Dây quấn thứcấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f2 và nó là hàm củatốc độ góc rôto ω

Động cơ không đồng bộ (KĐB) được chia làm hai loại: Động cơ KĐB dây quấn

và động cơ KĐB rôto lồng sóc

Động cơ KĐB dây quấn là loại động cơ mà rôto có dây quấn giống stato, dâyquấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao, ba đầu cũng được nối với vành trượt, đấuvới mạch ngoài bằng chổi than Nhờ cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện trở phụvào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ

Động cơ KĐB rôto lồng sóc có dây quấn rôto khác hẳn với kết cấu của stato.Trong rãnh của rôto người ta đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm và nối tắtchúng ở hai đầu vòng ngắn mạch

Cấu tạo gồm hai phần chính:

+ Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 và được cấp điện áp xoay chiều 3pha để tạo từ trường quay Phần cảm đặt ở stato được nối sao hoặc tam giác

+ Phần ứng cũng gồm 3 cuộn dây, thường đặt ở rôto, với rôto bằng sắt và rôto dâyquấn

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 5

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Động cơ KĐB làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đặt điện áp 3pha vào 3 dây quấn 3 pha đặt lệch nhau 1200 Khi từ trường quay (giả thiết theo chiềukim đồng hồ) của phần cảm quay qua các thanh dẫn phần ứng thì các cuộn dây (haythanh) của phần ứng xuất hiện 1 suất điện động cảm ứng Nếu mạch phần ứng nối kínthì có dòng điện cảm ứng sinh ra (chiều được xác định bằng qui tắc bàn tay phải) Từtrường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này, hai lực từ có chiều được xácđịnh theo qui tắc bàn tay trái, và tạo ra mômem làm quay phần ứng theo chiều quaycủa từ trường quay

Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều 3 pha

Tốc độ quay của phần ứng luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay Nếuphần ứng quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường thì từ trường sẽ không cắt quacác thanh dẫn phần ứng nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứngkhông còn Do mômen tải cản phần ứng sẽ quay chậm lại sau từ trường và các thanhdẫn phần ứng lại bị từ trường cắt qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện lại và do đómômen làm phần ứng tiếp tục quay theo từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn tốcđộ từ trường

Tốc độ từ trường quay là ω0 (rad/s) hay n0 (vòng/phút) thì tốc độ quay củaphần ứng ω luôn nhỏ hơn ω < ω 0, n<n0, sai lệch tương đối giữa hai tốc độ gọi là

60

p n n

(1.4)

1.2.3 Vận hành động cơ không đồng bộ

a) Mở máy động cơ KĐB

Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thườngphải mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lướiđiện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau Có khi yêu cầumômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai.Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp

Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện cótính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy Nói chung khi mởmáy cần chú ý các yêu cầu sau:

+ Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

+ Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

+ Phương pháp mở máy và các thiết bị cần dùng phải đơn giản, kinh tế và chắcchắn

+ Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt

b) Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 7

Theo thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba phacủa động cơ là đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng khôngđổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi bỏ qua tổn thất do ma sát và tổn thất trong lõithép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ nhưhình vẽ (1-3).

I - dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện rôto đã qui đổi

về stato(A)

Rµ , R1 ,

' 2

R - điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui

đổi về stato (Ω)

Xµ, X1 ,

' 2

X - điện kháng tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã

'

'

K0

S

M Mth

2 2

Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó:

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 9

=

± + (1.7)

Vì ta đang xét trong giới han (0 ≤ ≤ s 1), (chế độ động cơ) nên giá trị sth và

Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+)

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp cóhai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K Đoạn AK gần thẳng và cứng Trênđoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại Do vậy động cơ làmviệc trên đoạn này sẽ ổn định Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn nàyđộng cơ làm việc không ổn định

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω =0 (s=1) và mômen

mở máy:

[ ]

2 '

1 2 ' 2 2

c) Ảnh hưởngcủa tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ

Khi thay đổi f1 theo (1-9), tốc độ đồng bộ w0 thay đổi, đồng thời X1,X2 cũng

bị thay đổi (vì X= 2π fL ) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn sth và mômen tớihạn Mth

Quan hệ tới hạn theo tần số sth =f(f1) và mômen tới hạn theo tần số Mth=f(f1) làphức tạp nhưng vì ω0 và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thứccủa sth và Mth ta rút ra:

1

2 1

1 : 1 :

th

th

S f M

1 1

1dmf

f

f

0ω

ω

1dmf1dmf

1dmf

f

f

0ω

để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất

Hình 1-5: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Hình 1-6:Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số kết hợp

với thay đổi điện áp

1.3 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ

Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rải trong cácthiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp và trong các thiết bị điện dân dụng Ước tính có khoảng 50% lượng điện năng sản suất ra được tiêu thụ bởi các hệthống truyền động điện

Động cơ KĐB có nhiều ưu điểm sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu

rất rộng rải trong các nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàngchục ngàn kW Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ thường được dùng làmnguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhàmáy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp được dùng làm máy bơm hay máy giacông nông sản Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếmmột vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trongmáy điều hòa

Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không đồng bộ là so với máy điện mộtchiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều còn gặp nhiều khó khăn, bởi các thông sốcủa máy điện xoay chiều là thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phứctạp về mặt cấu trúc của động cơ xoay chiều

Để có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ xoay chiều đòihỏi phải có một hệ thống tính toán cực kỳ nhanh và chính xác trong quan hệ qui đổicác giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy cho đến nay phần lớn các động cơxoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điềukhiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém

1.4 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ một chiều

Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào để

có thể dễ dàng điều khiển tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ điện một chiều

Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điệnmột chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điềukhiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và mômen hoàn toàn độc lập với nhauthông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tứcthời của áp (động cơ tiếp áp)

Điều khiển vector cho phép tạo ra các phản ứng nhanh và chính xác của cả từthông và mômen trong cả quá trình quá độ cũng như xác lập của máy điện xoaychiều giống như máy điện một chiều Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn vànhững bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng điều khiển vectorngày càng được sử dụng rộng rải trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêuchuẩn công nghiệp

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 13

Với sự phát triển nhanh của nghành công nghiệp tự động đòi hỏi sự cải tiếnthường xuyên của các hệ truyền động khác nhau Những yêu cầu cải tiến cốt yếu làtăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăngđộ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp Vì vậy những hệ truyền động củađộng cơ điện một chiều đang dần dần bị thay thế bởi những hệ truyền động với động

cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector Lý do chính để sử dụng rộng rải động cơđiện một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và mômen cũngnhư cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì động cơcao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn Trong khi đó các ứng dụng thực

tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạchđiều khiển liên tục Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được sự đòi hỏichuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi hỏi một khối lượng tínhtoán trong một thời gian ngắn

Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lýthuyết điều khiển vector Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiểnvector là nền móng cho sự phát triển rộng rải của các hệ truyền động xoay chiều (vìgiá thành động cơ xoay chiều rẻ hơn động cơ điện một chiều)

Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lýthuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời Đó

là thuyết điều khiển trực tiếp mômen lực (Direct Torque Control hay viết là DTC) dogiáo sư Noguchi Takahashi đưa vào cuối năm 80 Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn chưahoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

2.1 Các yêu cầu đặt ra với với việc điều khiển động cơ

Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn Điều nàylàm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm chí

có thể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tảihầu như chỉ có tính cảm Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1 Khi tải tănglên dòng điện bắt đầu tăng Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong suốtquá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải Vì vậy khi tăng tải hệ số công suấtcũng tăng Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trongđộng cơ không hoàn toàn sin Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn,ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn hoặc đảo chiều động cơ Độchính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất laođộng cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng, trước phương pháp hãm cơđược dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm Tuy nhiên việchãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn

Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ nhưquạt, máy bơm, ở những loại tải này mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, côngsuất tỷ lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ này phụ thuộc vàotải có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ cóthể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào mà điều này không thể thực hiện đối vớinhững động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới

Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điệntrong động cơ có chứa nhiều thành phần bậc cao Điều này làm tăng tổn thất trongđộng cơ dẫn đến làm giảm tuổi thọ của động cơ Mômen sinh ra bởi động cơ bị gợnsóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởitính cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung ảnh hưởng đếnrôto Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làmgiảm tuổi thọ của động cơ

Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thôngminh Với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị công suất dẫn đến việc điều khiểnđộng cơ một cách dễ dàng hơn

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 15

2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto

Đối với động cơ rôto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổiđiện trở rôto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh được thực hiện ở phía rôto.Phương pháp này còn gọi là phương pháp biến trở

\

Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở phụ ở mạch rôto

Khi đưa thêm điện trở phụ Rf vào mạch rôto làm cho dòng điện rôto giảmxuống dần đến tốc độ quay giảm xuống

Điện trở tổng của mạch rôto sẽ là: = Rr+Rf

Trong đó: Rr là điện trở dây quấn một pha của rôto

Rf là điện trở phụ một pha nối tiếp với rôto

Rf

Đặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi điện trở mạch rôto như sau:

Hình 2-2: Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện trở mạch rôto động cơ

KĐB rôto dây quấnCác đặc tính điều chỉnh phải thỏa mãn phương trình đặc tính cơ:

' '

' '

2

th th th

th th

' ' 2 '

1

f th

nm

R R S

1 2

R a R

cơ nhỏ hơn Mc nên hệ giảm tốc

Mặc khác vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động tăng Cảm ứng trongrôto E2= s.E2nm tăng lên, do đó dòng điện và mômen của động cơ lại tăng lên chođến khi M=Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới ω2 < ω 1 trạng thái này ứng vớiđiểm a’ trên đặc tính điều chỉnh Rf Khi điều chỉnh điện trỏ Rf =0 tới Rf =R1 ta cóthể điều chỉnh tốc độ động cơ trong miền nằm giữa đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơcủa biến trở với Rf=R1

Nhận xét:

+ Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm Tuyvậy đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh khá liên tục trongphạm vi khá rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cỡ trung bình.+ Thao tác đơn giản

+ Giá thành ban đầu cũng như chi phí bảo trì thấp

+ Đặc tính cơ dốc khi tốc độ thấp nên nên phương pháp này sẽ cho tốc độ kém ổnđịnh

+ Phương pháp không kinh tế vì tổn thất năng lượng lớn

Ứng dụng đối với các hệ thống làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại vàkhông yêu cầu về ổn định tốc độ cao như: máy nâng, cầu trục, thang máy

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực.

* Sơ đồ nguyên lý

Phương pháp thay đổi số đôi cực thường được dùng nhiều nhất cho động cơ haicấp tốc độ, có hai cách đấu như sau:

Hình 2-3: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ ∆-YY

Hình 2-4: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 19

Để thay đổi số đôi cực p người ta thay đổi cách đấu dây ở stato của động cơ.Những máy đặc biệt này người ta gọi là máy đa tốc độ Số đôi cực của nó đượcthay đổi bằng hai cách khác nhau Cách thứ nhất dùng hai tổ nối dây riêng biệt mỗi tổ

có hai số đôi cực riêng, cách thứ hai dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi phađược thành hai đoạn Thay đổi cách nối giữa hai đoạn đó ta sẽ thay đổi một đôi cực p.Cách thứ nhất tạo được hai cấp tốc độ bất kỳ không phụ thuộc nhau Cáchthứ hai có sơ đồ đấu dây phức tạp và có hai cấp tốc độ phụ thuộc nhau

Khi đổi nối từ ∆→YY, ta có những quan hệ sau:

Khi đấu hai đoạn dây stato đấu nối tiếp nên:

R1 = 2r1 ; X1 = 2X1YY

Và tương ứng R2 =2r2 ; X2 =2X2YY ; Xnm = 2XnmYY (2.4)Trong đó r1, r2, X1, X2, là các điện trở và các điện kháng mỗi đoạn dây stato và rôto.Điện áp đặt lên dây quấn mỗi pha là:

thYY th

M

(2.10)Như vậy khi nối ∆ -YY thì tốc độ lý tưởng không tải tăng hai lần, sth giữ

nguyên, mômen tới hạn Mth giảm

1 3

Đặc tính cơ của nó có dạng:

Hình 2-5: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho phép khi đổi nối dây quấn

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 21

2 2

0 1 1

34

thY

nm

U M

Dạng đặc tính cơ của nó có dạng:

Hình 2-6: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho phép khi đổi nối dây quấn

stato Y- YYNhận xét:

Ưu điểm của phương pháp thay đổi số đôi cực p là thiết bị đơn giản, giáthành hạ, các đặc tính cơ đều cứng, khả năng điều chỉnh triệt để Độ chính xác duytrì tốc độ cao và tổn thất trượt khi điều chỉnh không đáng kể.

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là có độ tinh kém (nhảy cấp), dảiđiều chỉnh không rộng và kích thước động cơ lớn nên động cơ đa tốc được chế tạovới công suất dưới 20÷30 kW và được sử dụng trong một số máy cắt kim loại và nângbơm ly tâm và của quạt gió

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào động cơ:

a) Nguyên lý điều chỉnh:

Để thay đổi điện áp người ta dùng bộ biến đổi có điện áp ra tùy theo tín hiệuđiều khiển đặt vào

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Khi điện áp của bộ biến đổi U2 thì ta được họ đặc tính điều chỉnh như hình 8)

1 2

2 2 1

th

n

r S

=

+ (2.14)

Mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp:

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 23

tu t

M = M U (2.15)

Với:

2 2

2 2 1

3 2

Trong đó: Mtu: mômen tới hạn của động cơ ứng với điện áp điều chỉnh

U2: điện áp ra của bộ biến đổi

Hình 2-8:Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điện trở phụ trong mạch roto

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ.Khi dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, người ta nối thêm một bộ điện trởphụ vào mạch rôto như hình (2-1) thì khi đó:

Nếu điện áp đặt vào stato là định mức (U2=U1) thì ta được đặc tính mềm hơnđặc tính tự nhiên và ta gọi đó là đặc tính giới hạn (đtgh)

Nếu giá trị điện áp đặt vào stator khác với giá trị định mức thì mômen tới hạnlúc điều chỉnh điện áp Mtu sẽ thay đổi theo tỷ lệ bình phương điện áp, còn độ trượttới hạn thì không đổi nghĩa là:

2

M = M U

2 2

1

3 2

1

f th

M M

ε ε

+

= + +

Dạng đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình (2-9)

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 25

:

U2

U2 U2

Hình 2-9: Đặc tính điều chỉnh khi dùng điện trở phụ vào mạch rôto

b) Phương pháp dùng bộ điều chỉnh điện áp bằng thyristor

Đây là bộ điều chỉnh được ứng dụng ngày càng nhiều trong điều chỉnh tốc độđộng cơ không đồng bộ vì có nhiều ưu điểm so với bộ biến đổi xoay chiều khácnhư dùng biến áp tự ngẫu, dùng khếch đại từ…

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dùng thyristorBộ điều chỉnh thyristor này tương đối đơn giản gồm 6 thyristor Khi ở trạng tháixác lập, các thyristor mở ở những góc kích như nhau và không đổi Khi đóT1,T3,T5, dẫn ở nữa chu kỳ dương, T2,T4,T6 dẫn ở nữa chu kỳ âm của lưới điện.Điện áp đặt vào stato của động cơ U2 (điện áp ra của bộ biến đổi) là những phầnđường hình sin trên đồ thị sau:

Tương tự thyristor T4 dẫn ở nữa chu kỳ âm và góc δ phụ thuộc vào độ trượt s.

Để dựng đặc tính cơ điều chỉnh ta bỏ qua điện trở của thyristor Khi thyristor đangdẫn và các đặc tính điều chỉnh ứng với những góc α khác nhau được vẽ trên hình(2-11) Vì điện áp phụ thuộc vào góc pha φ nên độ trượt tới hạn của các đặc tính điềuchỉnh có thể khác với độ trượt st.

Hình 2-12: Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

dùng bộ điều khiển thyristor

* Nhận xét và ứng dụng:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện

áp nguồn được sử dụng rộng rãi, nhất là bộ điều chỉnh dùng thyristor vì thực hiện dễdàng và tự động hóa Xét về chỉ tiêu năng lượng tuy tổn thất trong bộ biến đổi khôngđáng kể nhưng điện áp stator bị biến dạng so với hình sin nên tổn thất phụ trong động

cơ lớn do đó hiệu suất không cao.Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cáchthay đổi điện áp thường dùng trong hệ truyền động mà mômen tải là hàm tăng theotốc độ như: quạt thông gió, máy li tâm …

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 27

2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số:

Để thay đổi tốc độ bằng cách tác động vào stato của động cơ ngoài phương phápthay đổi điện áp nguồn cấp ta còn có thể sử dụng phương pháp thay đổi tần số nguồncấp vào động cơ Nguyên lý của phương pháp này là khi tần số của nguồn cấp thay đổithì tốc độ không tải lý tưởng ω1 = 2πf/p cũng thay đổi theo tỷ lệ với tần số Đây làphương pháp điều chỉnh trơn hoàn toàn và ta có thể điều chỉnh ở bất kỳ tốc độ nào

Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp :

fđmf12f11

f1<fđmf1>fđm

M0

Hình 2.13 Sơ đồ đơn giản của phương pháp thay đổi tần sốNếu giữ cho điện áp không đổi thì ta có quan hệ :

Mth=

2 2 1

Thực tế là khi tần số giảm so với tần số định mức thì dòng điện sẽ tăng lên rấtnhiều nếu điện áp giữ nguyên do điện kháng giảm (điện kháng tỷ lệ với tần số) Do đó,khi giảm tần số thì cũng phải giảm điện áp sao cho tỷ số giữa điện áp và tần số làkhông đổi Như vậy, trong trường hợp giảm tần số thì mô men sẽ không thay đổi Do

đó, trong đặc tính cơ sẽ có hai phần f1> fđm và f1< fđm

Ta có dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số nguồn lướinhư sau :

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 29

Tóm lại, khi thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thời điều chỉnh cả điện ápđưa vào động cơ Phương pháp điều chỉnh tần số là một phương pháp hiện đại, nhưngkhá tốn kém do đó hiện nay nó chưa được dùng phổ biến mà chỉ sử dụng trong một sốlĩnh vực nhất định

2.2.5 Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Hình 2.15: Biến tần SIEMENS

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần,này càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần Trong đó một bộphân đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển động cơđiện

Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ của động cơ:

+ Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.

+Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện, phương pháp này làm giảm tính phứctạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứngdụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy bộ biến tần được sử dụng đểđiều chỉnh tốc độ động cơ theo phương pháp này

Khảo sát thực tế cho thấy:

Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển mômen

+Trong các bộ điều khiển mônmen động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạtgió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm),chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng

+Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổilên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từviệc giảm năng lượng điện năng tiêu thụ

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

+Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt

+Điều chỉnh áp suất tương ứng với việc điều chỉnh góc mở của van

+Giảm tiếng ồn công nghiệp

+Năng lượng sử dụng tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

+Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính làthay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉthay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo cácphương thức khác nhau, không dùng mạch điện tử Trước kia khi công nghệ chế tạobán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến

áp Ưu điểm chính của các thiết bị chính dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt(ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng giáthành cao do phải dùng máy biến áp với công suất lớn

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 31

- Tổn thất công suất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thốngnghịch lưu.

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảotrì cũng như thay mới

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện ápngõ ra do có hiện tượng bão hòa từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giámsát như: điện áp, dòng điện, khởi động mềm, tính chất tải… mà chỉ có bộ biến tần sửdụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này còn nhiều hạn chếnhư

2.2.6 Kết luận: Qua nhận xét trên, ta so sánh thấy phương pháp điều khiển thông qua

thay đổi tần số có chất lượng tốt nhất, do đó ta chọn phương pháp này để thiết kế

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN 3.1 Phân loại biến tần

Biến tần thường được chia làm hai loại:

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

3.1.1 Biến tần trực tiếp

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Trong bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu cùng nằm trênmột bộ biến đổi, không sử dụng tụ chuyển mạch và chỉ chuyển đổi một lần nên hiệusuất cao Nhưng thực tế mạch van khá phức tạp do số lượng van lớn, nhất là đối vớimạch ba pha Việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1 Biến tần được

sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2<f1 Trong thực tế ít được sử dụng

3.1.2 Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3.2a: Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 33

Hình 3.2b sơ đồ mạch của bộ tần 3 phaNhư vậy để biến đổi tần số cần qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có têngọi là biến tần gián tiếp.

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn được phân làm hai loại:

Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện áp đặt vào bộnghịch lưu xem như nguồn áp, cùng với điện cảm L tụ C làm phẳng điện áp chỉnhlưu.Ngoài ra tụ C còn nhiệm vụ trao đổi công suất phản kháng Q giữa tải với bộnghịch lưu và mạch một chiều, bằng cách cho phép sự thay đổi nhưng trong thờigian ngắn dòng vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu.

Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biên độ rộng xung thì có thể

sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode)

Do tác dụng của diode ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưu luôn luôn dương.Đối với loại này thì yêu cầu của bộ biến tần là năng lượng được truyền hai chiềutức là động cơ thực hiện hãm tái sinh thì bộ chỉnh lưu làm việc được cả bốn góc phầntư

b) Biến tần dùng nghịch lưu dòng

Hình 3.4: Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu dòng

Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tác dụng như nguồn dòng cấp chobộ nghịch lưu Dòng điện trong mạch một chiều được san phẳng bởi L, dòng điện nàykhông thể đảo chiều

Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiều công suất phản kháng củatải trong mạch một chiều, cuộn kháng này cho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộnghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu, do vậy rất phú hợp với việc hãm táisinh động cơ Tuy nhiên chỉ điều chỉnh được dòng và áp của tải theo phương phápbiên độ nên chỉnh lưu phải sử dụng linh kiện bán dẫn có điều khiển

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 35

3.2 Cấu trúc của bộ biến tần

3.2.1 Khái quát về cấu trúc bộ biến tần

Hình 3.5: Cấu trúc của một biến tầnTín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu cónhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳngđiện áp một chiều sau chỉnh lưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cótần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành xoay chiều nhờ vàoviệc mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một quy luật điều khiểnnào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra có con một số chứcnăng sau:

+ Theo dõi sự cố lúc vận hành

+ Xử lý thông tin từ người sử dụng

+ Xử lý thông tin từ mạch thu thập dữ liệu.

+ Kết nối với máy tính……

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van côngsuất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suấtvới mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như:tần số, dòng điện, điện áp…, để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống.Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp, nhiệt độ, biến đổi chúngthành những tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý Ngoài ra còn cócác mạch bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp quá áp ở đầu vào

Các mạch điều khiển, thu thập dữ liệu đều cần cấp nguồn các nguồn này thường

là điện áp một chiều 5V, 12V, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định Bộ nguồn cónhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó

Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuậttoán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển công nghệ sảnxuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngàycàng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năngđiều chỉnh chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ

3.2.2 Chỉnh lưu

Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện ápmột chiều Chỉnh lưu có thể là có điều chỉnh hoặc không điều chỉnh Ngày nay đa sốchỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽlàm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chungchức năng của biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thôngqua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn người ta thường dùngchỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho hệ thống khi quátải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu

sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

Đối với mạch chỉnh lưu có các cách mắc như sau:

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 37

+ Sơ đồ hình tia một pha (a) + Sơ đồ hình cầu một pha (b)

+ Sơ đồ hình cầu ba pha (c) + Sơ đồ hình tia ba pha (d)

(a) (b)

(c) (d)Hình 3.6: Các sơ đồ mạch chỉnh lưuTùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng điện áp DC nào cho phù hợp,dạng sóng điện áp ra như sau:

Hình 3.7: Các dạng sóng điện áp ra của bộ chỉnh lưu.

+ Dạng sóng của bộ chỉnh lưu hình tia một pha (a)

+ Dạng sóng của bộ chỉnh lưu hình cầu một pha (b)

+ Dạng sóng của bộ chỉnh lưu hình cầu ba pha (c)

+ Dạng sóng của bộ chỉnh lưu hình tia ba pha (d)

Đối với chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ: Ta thấy dạng sóng ra nhấp nhô, do đómuốn ít nhấp nhô cần phải có bộ lọc tốt

Đối với chỉnh lưu cầu ba pha : cho điện áp và dòng chỉnh lưu tốt hơn so với chỉnhlưu ba pha hình tia Giá trị trung bình của điện áp ra đối với sơ đồ hình cầu như sau :

Tụ C có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi mặt khác nó trao đổi nănglượng với cuộn cảm