Xem mẫu
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Trường.........................
Khoa……………….
…………..o0o…………..
BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Đề tài:
Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương
pháp điện trở xung
1
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của
cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp. Khi động cơ điện được đưa vào ứng
dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được sự
tối ưu về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng.
Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin
học, các hệ truyền động điện được phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc
biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện
nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp
ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm
kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động.
Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng truyền động điện xoay chiều
dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có những vấn đề
hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp. Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương
pháp điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh
vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới
chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này,
em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau:
Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
ba pha.
Lựa chọn và tính toán mạch động lực.
Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển.
Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng.
Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi
những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và
các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn
Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp
quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa
2
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong
suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này.
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................1
………………………………………Chương I........................................................
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ..............................................................................6
A. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ............................................................................6
I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha......................................6
II. Mạch điện thay thế ................................................................................7
III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ............................................9
B. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ .........................................................................................................11
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số
12
1. Nguyên lý điều chỉnh.........................................................................12
2. Các đặc tính điều chỉnh......................................................................13
3. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng........................................14
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi
cực 14
III. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện
áp đặt vào stato ............................................................................................15
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở –
kháng mạch stato .......................................................................................15
a. Nguyên lý điều chỉnh.....................................................................15
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng....................................16
2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi điện áp đặt vào stato ....................................................................16
a. Nguyên lý điều chỉnh.....................................................................16
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng....................................18
IV. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
điều chỉnh điện trở mạch rôto ....................................................................18
1. nguyên lý điều chỉnh..........................................................................18
2. các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng.........................................19
3
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
V. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ
nối tầng..........................................................................................................19
1. Nguyên lý điều chỉnh.........................................................................19
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng........................................20
……………………………………….Chương II......................................................
CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC ................................................21
A. CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
RÔTO DÂY QUẤN ..........................................................................................21
B. LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC ..............................23
I. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto ..................................................24
II. Tính chọn điện trở phụ R....................................................................31
III. Tính chọn các điốt chỉnh lưu D ..........................................................35
IV. Tính chọn tiristor .................................................................................38
V. Tính chọn cuộn kháng .........................................................................39
1. Tính cuộn kháng lọc theo tác dụng thứ nhất .....................................39
2. Tính cuộn kháng theo tác dụng thứ hai .............................................41
VI. Tính chọn các phần tử khóa tiristor T...............................................43
1. Tính chọn tụ C ...................................................................................43
2. Tính chọn cuộn cảm L1 ......................................................................44
3. Tính chọn điốt D0...............................................................................44
VII. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực ....................................45
1. Sơ đồ động lực có các thiết bị bảo vệ ................................................45
2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn...............................................46
a. Thiết kế tỏa nhiệt cho các điốt D...................................................46
b. Thiết kế tỏa nhiệt cho các tiristor ..................................................47
c. Thiết kế tỏa nhiệt cho các điốt D0..................................................48
3. Bảo vệ quá dòng cho van...................................................................48
…………………………………..Chương III ....................................................... 50
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .............................................50
A. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN..............50
I. Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng ...................50
1. Nguyên lý điều khiển.........................................................................50
2. Sơ đồ khối mạch điều khiển ..............................................................52
II. Thiết kế mạch điều khiển bằng mạch số ...........................................53
1. Nguyên lý điều khiển.........................................................................53
2. Sơ đồ khối mạch điều khiển ..............................................................53
III. Kết luận.................................................................................................54
4
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
B. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC THẲNG
ĐỨNG................................................................................................................54
I. Các khâu cơ bản...................................................................................54
1. Khâu tạo tần số ..................................................................................54
2. Khâu so sánh......................................................................................64
3. Khâu khuếch đại ................................................................................66
II. Tính toán các thông số của mạch điều khiển ....................................68
1. Tính biến áp xung ..............................................................................69
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng.........................................................71
3. Tính chọn tầng so sánh ......................................................................73
4. Tính chọn khâu tạo tần số ..................................................................74
5. Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển ..........................................75
……………………………………..Chương IV .......................................................
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI MẠCH VÒNG .............................................79
A. GIỚI THIỆU CHUNG...............................................................................79
B. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ RÔTO .....80
I. Tổng hợp mạch vòng dòng điện .........................................................83
II. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ................................................................85
III. Tính toán các thiết bị trong sơ đồ tổng hợp điện – cơ ......................87
1. Bộ điều chỉnh dòng điện PI ...............................................................87
2. Bộ điều chỉnh tốc độ P .......................................................................89
3. Phần tử phản hồi dòng điện ...............................................................89
4. Phần tử phản hồi tốc độ .....................................................................90
……………………………………..Chương V ........................................................
CÁC ĐẶC TÍNH CƠ ...........................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................93
5
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
A. MẠCH ĐIỆN THAY THẾ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
I. Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha
Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho
nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể
không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó,
động cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn
trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt
trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac…)
đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và đưa ra nhiều
phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp.
Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ
rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng
trăm kW. Với những ưu điểm nổi bật của nó như: giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 động
cơ điện một chiều khi có cùng công suất), làm việc tin cậy chắc chắn, hiệu suất
cao… Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều
ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ
thống. Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như:
Trong công nghiệp thường dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa
và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ … Trong hầm mỏ
dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay
máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện
không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như làm quạt gió, máy bơm
nước, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ… Cùng với sự phát triển của nền sản xuất
6
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
điện khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ
ngày càng được cải thiện và mở rộng.
Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của nó.
Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có một số
nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosϕ thấp, khống chế các quá
trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động
tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều
kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế.
Nói tóm lại, với những ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc
ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng được phát triển và cải
tiến về mọi mặt.
II. Mạch điện thay thế
Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m1 pha
(thường m1 = 3), trên rôto có dây quấn m2 pha (m2 = 3 đối với động cơ rôto dây
quấn; còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m2 > 3). Như vậy trong động cơ
không đồng bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên
hệ về cảm ứng từ. Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có được hệ phương
trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay như sau:
• • •
U 1 = - E1 + I1 (r1 + jx1 );
• •
r'2
0 = E ' 2 - I' 2 ( + jx' 2 );
s (I)
• •
E' 2 = E1 ;
• • •
I1 + I ' 2 = I 0 ;
• •
- E1 = I 0 Z m ;
Dựa vào các phương trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập được mạch điện
thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay như sau:
x1 r 1 x'2 r'2
I1 -I'2
xm
U1 r'2(1-s)/s
I 0 rm
Hình 1. Mạch điện thay thế hình T của động
7
cơ không đồng bộ.
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến đổi mạch điện thay thế
hình T thành mạch điện thay thế hình à đơn giản hơn:
C²1r'2/s
C1x1 C1r1 C²1x'2
I1 -I''2
x1 r 1 xm
U1
I00 rm
Hình 2. Mạch điện thay thế hình
của động cơ không đồng bộ.
Trong đó:
• Z
C1 = 1 + 1 ;
Zm
•
•
U1
gọi là dòng điện không tải lý tưởng, nghĩa là dòng điện
I 00 = •
C1 Z m
không tải ứng với lúc s = 0;
•
•
- I' 2
gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình Ã.
- I' ' 2 = •
C1
•
Thực tế, C1 chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có thể coi
x
•
C1 = 1 + 1 = 1 .
xm
Như vậy:
• •
I' ' 2 = I' 2 ; (II)
• • • • • •
I' ' 00 = I1 - I' ' 2 = I1 - I 2 = I 0 ;
Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa:
r'2/s
x1 r1 x'2
I1 -I'2
x1 r1 xm
U1
8
I0 rm
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
III. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình à đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của
dòng điện rôto đã quy đổi về stato I’2 là:
Uf
I '2 = (1)
r '2 2
(r1 + ) + x nm
2
s
Trong đó:
Xnm = x1 + x’2 điện kháng ngắn mạch.
Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công
suất trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:
P12=Mđt.ω0
Trong đó: Mđt – mômen điện từ của động cơ
Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ, ta ký hiệu:
Mđt = Mcơ = M
Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa ra trục động cơ Pcơ và
công suất tổn hao trong rôto ΔP2 nghĩa là:
P12= Pcơ+ ΔP2
hay
Mω0 = Mω + ΔP2
do đó
ΔP2 = M (ω0 - ω) = Mω0s
Mặt khác:
ΔP2 = 3I' 2 r' 2
2
nên
3I'2 r '2
M= 2
ω0 s
Thay (1) vào phương trình trên ta có phương trình đặc tính cơ:
3U 2 r ' 2 (2)
f
M=
r '2
ω 0 [( r 1 + ) 2 + x nm ]
2
s
9
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Kết hợp với phương trình tốc độ ω = ω0 (1 – s) ta có dạng đường cong đặc
tính cơ:
ω
ω0
ω
(s=sth)
Mth
0 M
M®m
Hình 4. Đặc tính cơ của động cơ không
đồng bộ.
Điểm cực trị của đặc tính cơ thường được gọi là điểm tới hạn có tọa độ
[Mth, sth]:
r'2 r'2
sth = = (3)
r1 + (x1 + x' 2 )2 r1 + x nm
2 2 2
2
3U f
M = (4)
th
2 ω 0 ( r1 +
2 2
r1 + x nm )
Ta có thể viết phương trình đặc tính cơ dưới dạng khác thuận tiện hơn bằng
cách lập tỉ số giữa (2) và (4) rồi biến đổi ta được:
2 M th (1 + as th )
M=
s s th
+ + 2 as th
s th s
r1
a=
Trong đó: .
r2
Trong động cơ không đồng bộ thường r1 ≈ r’2 mà sth = 0,1 ÷ 0,2 nên ta có
thể coi asth ≈ 0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx:
2 M th
M=
s s
+ th
s th s
10
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Đối với các động cơ có công suất lớn thường r1
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
I. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số
1. Nguyên lý điều chỉnh
Tần số của lưới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay trong
máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng stato ta có thể điều chỉnh được
tốc độ của động cơ. Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta dùng bộ nguồn
biến tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ như sau:
U1
BiÕn
f1 §
TÇn
const
Ub f b
var
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có
điều chỉnh tần số.
Máy điện được chế tạo để hoạt động ở tần số định mức nên khi thay đổi
tần số chế độ làm việc của máy điện cũng bị thay đổi vì tần số có ảnh hưởng trực
tiếp đến từ thông của máy điện. Quan hệ này có thể được phân tích nhờ phương
trình cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện:
• • • •
E 1 = c φ f1 = U 1 - I1 Z 1
Trong đó:
•
E1 Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato;
•
φ Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato;
c Hằng số tỷ lệ;
•
U1 Điện áp đặt vào stato động cơ;
f1 Tần số dòng stato.
Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato ta có :
•
U1
•
φ=
cf1
Từ phương trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U1 (U1 = const), khi
tăng tần số f1 thì từ thông trong máy sẽ giảm làm cho mômen của máy điện giảm.
Nếu mômen tải không thay đổi hoặc là hàm tăng của tốc độ thì khi đó dòng điện
cũng phải tăng để cho mômen cân bằng với mômen tải. Kết quả là động cơ bị quá
tải về dòng. Ngược lại khi giảm tần số để giảm tốc độ lại dẫn đến từ thông tăng
lên làm tăng mức độ từ hoá lõi thép, tăng tổn hao thép và làm nóng máy điện.
12
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải
thay đổi điện áp một cách tương ứng.
Người ta chứng minh được rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều
chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi
(λ = M th / M c = const ) thì chế độ làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức
tối ưu giống như khi làm việc ở thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cosj của
máy trong toàn dải điều chỉnh gần như không đổi.
2. Các đặc tính điều chỉnh
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số không chỉ
phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp, nghĩa là còn
phụ thuộc đặc tính của phụ tải.
- Khi Mc = const
ω
f 12
f 1®m
f 11
0 Mc Mth M
1
- Khi Mc ≡
ω
ω
f 12
f 1®m
f 11
Mc
0 M
2
- Khi Mc ≡ ω
13
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
ω Mc
f 12
f 1®m
f 11
0 M
Hình 6. Các đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ bằng tần số với các loại tải khác
h
3. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
tần số có các ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm
Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ.
Dải điều chỉnh tốc độ D lớn.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến tần mắc trực tiếp
từ lưới điện, do đó không cần các thiết bị biến đổi, nó sử dụng
động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững
chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng biến tần có thể hãm tái sinh cho
nên nguồn xoay chiều này có thể làm việc ở cả 4 góc tọa độ.
Nhược điểm
Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn
và mạch điều khiển điện tử.
Phạm vi ứng dụng
Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có nhiều ưu điểm, song
phạm vi ứng dụng của nó phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Do
vậy, trong thực tế biến tần thường được sử dụng khi có nhiều
động cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung. Động cơ
không đồng bộ rôto dây quấn ít được sử dụng cùng với biến tần
do biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto
lồng sóc một cách dễ dàng.
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực
14
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng bộ, tốc độ từ trường
quay thay đổi và do đó tốc độ động cơ rôto cũng biến đổi theo. Quan hệ đó thể
hiện trong biểu thức tốc độ sau:
2 πf1
ω= (1 - s)
p
Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng tự biến đổi
số cực rôto theo stato. Do đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp
nhàng với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, phương pháp này
hiếm khi được sử dụng vì khi thay đổi số cực stato ta đồng thời phải thay đổi số
cực rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp.
III. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt
vào stato
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở
– kháng mạch stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:
3U 2 r '2
f
M=
r '2
ω 0 [( r 1 + ) 2 + x nm ]
2
s
Ta thấy, có thể làm biến dạng đặc tính cơ bằng cách nối vào mạch stato một
điện trở phụ hoặc một điện kháng phụ. Trong thực tế, việc dùng điện trở phụ có
hiệu quả rất kém do có tổn hao trên bản thân nó, nên ít được sử dụng. Sơ đồ
nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ ba pha khi dùng
kháng trong mạch stato như sau:
U∼ ω
ω0
Mc.cp
xf
§ ®t.gh
xf1
xf2
0 M
Hình 7. Sơ đồ nguyên lý v các đặc tính điều
chỉnh của động cơ không đồng bộ khi dùng kháng
trong mạch trong mạch stato (xf1 > xf2).
15
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Từ mạch điện thay thế hình à đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ ta
thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng điện stato và rôto đều giảm xuống, do
đó mômen M của động cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn mômen tải Mc nên hệ
sẽ giảm tốc. Kết quả là động cơ sẽ chuyển sang làm việc xác lập ở tốc độ thấp
hơn tốc độ cơ bản.
Từ phương trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn kháng vào stato, khi
đó điện kháng ngắn mạch xnm tăng và do đó, độ trượt tới hạn sthvà mômen tới hạn
Mthđều giảm như trên hình 7.
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có những ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm
Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều
khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp.
Nhược điểm
Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để (không điều chỉnh được
tốc độ không tải lý tưởng ω0.
Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trượt tới hạn càng nhỏ,
do đó khả năng mang tải càng kém và độ ổn định tĩnh cũng như
động của hệ càng thấp.
Độ chính xác đặt tốc độ kém do độ cứng của đặc tính cơ điều
chỉnh khá nhỏ.
Các chỉ tiêu năng lượng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi
giảm tốc độ và hệ số công suất cosϕ thấp do nối thêm kháng.
Phạm vi ứng dụng
Phương pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không đồng bộ
rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhược điểm do đó ít
được dùng trong thực tế.
2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
thay đổi điện áp đặt vào stato
a. Nguyên lý điều chỉnh
Để điều chỉnh điện áp. người ta dùng bộ nguồn BĐ có điện áp ra thay đổi
tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý hình 8.
U®k
BiÕn 16
§æi §
§iÖn Ub Var
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Khi thay đổi điện áp lưới, ví dụ khi giảm xuống còn x lần (x < 1) điện áp
định mức (U1 = xUđm) thì mômen sẽ giảm xuống còn x2 lần M = x2Mđm. Nếu
mômen tải không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trượt tăng lên.
Theo công thức về mômen M = cmI’2φ, trong đó cm là hằng số, thì khi điện
áp lưới U1 = xUđm, thì sức điện động E và từ thông φ cùng bằng x lần giá trị ban
đầu và I’2 tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trượt:
Pcu 2 m1 I' 2 r' 2
2
s= =
Mω1
P®t
2
nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ điện ở điện áp
U 1 = xU ®m sẽ là:
s
n = n 1 (1 -
)
x2
Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn Mth sẽ thay đổi đổi tỷ
lệ với bình phương điện áp, còn độ trượt tới hạn sth thì giữ nguyên, nghĩa là:
M th .u = M th .U *2
b
s th .u = s th .tn = const
Đặc tính điều chỉnh có dạng như sau:
ω
ω0
®t.tn
U11
U12
ω
(s=sgh)
M
Mth.u Mth
0
Hình 9. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện
áp stato, U12 > U11.
17
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
b. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Phương pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và cải thiện các đặc tính
điều chỉnh.
Nhược điểm
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp có
nhược điểm là làm việc không ổn định do hệ thống nhạy với sự thay đổi của điện
áp.
Phạm vi ứng dụng
Phương pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng
theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm.
IV. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh điện trở mạch rôto
1. Nguyên lý điều chỉnh
Khi thay đổi điện trở mạch rôto (bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf mắc
vào rôto), dòng điện stato I1 và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến
tốc độ của động cơ cũng thay đổi. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ
không đồng bộ khi điều chỉnh bằng phương pháp này như sau:
U∼
ω
ω0 a
ω1
§ b
a'
ω2
Rf
M
0 Mc Mth
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý v đặc tính cơ của động
cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng điện trở.
Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là Mc và
tốc độ là ω1, điểm làm việc là điểm a trên đồ thị hình 10. Để điều chỉnh tốc độ ta
đóng một điện trở Rf vào cả ba pha rôto, khi đó điện trở mỗi pha rôto là
R 2 = r2 + R f . Điện trở rôto tăng, từ sơ đồ mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hóa
ta thấy dòng điện stato I1 giảm đột biến và do đó mômen của động cơ cũng giảm.
Do quán tính của động cơ nên tốc độ không thay đổi đột ngột. Điểm làm việc
18
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
chuyển từ điểm a đến điểm b. Tại thời điểm đó, M < Mc nên hệ giảm tốc. Mặt
khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động cảm ứng
trong rôto E2 tăng lên. Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho
đến khi M = Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới ω2 < ω1. Trạng thái này ứng
với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh.
Từ phương trình (3) và (4):
r'2 r'2
s th = = (3)
r1 + ( x 1 + x' 2 ) r1 + x nm
2 2 2
2
2
3U f
M = (4)
th
2 ω 0 ( r1 +
2 2
r1 + x nm )
Ta thấy, khi tăng điện trở rôto thì độ trượt giới hạn sth tăng và mômen tới
hạn Mth không đổi.
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều
khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp.
Hạn chế dòng điện mở máy do đó làm tăng khả năng mở máy cho
động cơ.
Tự động hóa điều chỉnh tốc độ dễ dàng.
Nhược điểm
Dải điều chỉnh tốc độ bé.
Tổn hao năng lượng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở Rf.
Phạm vi ứng dụng
Từ các ưu, nhược điểm trên, đây là một phương pháp được sử
dụng rộng rãi, mặc dù đây không phải là phương pháp kinh tế
nhất. Nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ rôto dây quấn. Phương pháp này được sử dụng
trong các hệ thống có các động cơ không đồng bộ làm việc ngắn
hạn hay ngắn hạn lặp lại, và thích hợp với các hệ thống yêu cầu
tốc độ không cao như cần trục, cầu trục…
V. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối
tầng
1. Nguyên lý điều chỉnh
19
- §å ¸n tèt nghiÖp Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hμ Néi
Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối tầng
được thực hiện bằng cách đưa vào rôto của nó một sức điện động Ef. Sức điện
động phụ này có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với sức điện động cảm ứng
trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện động phụ có thể là
xoay chiều hoặc một chiều như sơ đồ nguyên lý sau:
§
§
Ef ∼
Ef =
Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện động phụ v o
mạch rôto của động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc độ
của nó trong sơ đồ nối tầng.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này như sau:
Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng từ
lưới và sinh năng lượng trượt ở mạch rôto ΔPs = Mω 0 s . Khi đưa Ef vào, dòng
điện rôto khi đó
• •
•
E2 - Ef (8)
I2 =
Z
Ta giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính ứng
với một giá trị Ef nào đó. Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm, mômen điện từ của
động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen Mc, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi
tốc độ giảm, độ trượt tăng làm cho E2 = E2nms tăng lên. Kết quả là dòng điện rôto
I2 và mômen điện từ tăng lên. Cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng
với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ
hơn trước.
Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không tải lý tưởng ω0lt. Khi Ef = 0
động cơ làm việc trên đặc tính gần đặc tính tự nhiên.
2. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm
Chỉ tiêu năng lượng cao do tận dụng được công suất trượt ở mạch
rôto.
20
nguon tai.lieu . vn
