Nội dung

LỜI NÓI ĐẦU Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ đƣợc sử dụng phổ biến 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 roto 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 đƣợc động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã đƣợc nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và moment khởi động. Đề tài tốt nghiệp: “Điều khiển tốc độ động cơ 3 pha lồng sóc bằng biến tần”. Đƣợc trình bày trình bày trong ba nội dung : Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha và các phƣơng án điều chỉnh tốc độ động cơ. Chƣơng 2 : Tìm hiểu chung về biến tần. Chƣơng 3 : Kết nối biến tần LS IG5Avới động cơ dị bộ ba pha lồng sóc Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn giảng viên Th.S Nguyễn Đoàn Phong đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hải Phòng, ngày tháng Sinh viên thực hiện Bùi Đức Trọng 1 năm 2013 CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BA PHA VÀ CÁC PHƢƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1. MỞ ĐẦU Loại máy điện quay đơn giản nhất là loại máy điện không đồng bộ (dị bộ). Máy điện dị bộ có thể là loại một pha, hai pha hoặc ba pha, nhƣng phần lớn máy điện dị bộ ba pha, có công suất từ một vài W tới vài MW, có điện áp từ 100V đến 6000V. Căn cứ vào cách thực hiện rotor, ngƣời ta phân biệt hai loại: loại có rotor ngắn mạch và loại có rotor dây quấn. Cuộn dây rotor dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều. Cuôn dây rotor ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch từ rotor, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh. Động cơ rotor ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền, còn máy điện rotor dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhƣng có tính năng động tốt hơn, do đó có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh. 1.2. CẤU TẠO Máy điện quay nói chung và máy điện không đồng bộ nói riêng gồm hai phần cơ bản: phần quay (rotor) và phần tĩnh (stato). Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí. 2 stato roto cuộn dây Hình 1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 1.2.1. Cấu tạo của stato Stato gồm 2 phần cơ bản: mạch từ và mạch điện. a. Mạch từ: Mạch từ của stato đƣợc ghép bằng các lá thép điện có chiều dày khoảng 0,30,5mm, đƣợc cách điện hai mặt để chống dòng Fuco. Lá thép stato có dạng hình vành khăn, phía trong đƣợc đục các rãnh. Để giảm dao động từ thông, số rãnh stato và rotor không đƣợc bằng nhau. Mạch từ đƣợc đặt trong vỏ máy.Ở những máy có công suất lớn, lõi thép đƣợc chia thành từng phần đƣợc ghép lại với nhau thành hình trụ bằng các lá thép nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ. Vỏ máy đƣợc làm bằng gang đúc hay gang thép, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt. Để tăng diện tích tản nhiệt. Tùy theo yêu cầu mà vỏ máy có đế gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc. Trên đỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện. Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên lắp máy có giá đỡ ổ bi. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây. b. Mạch điện: Mạch điện là cuộn dây máy điện đã trình bày ở phần trên. 1.2.2. Cấu tạo của rotor a. Mạch từ: Giống nhƣ mạch từ stato, mạch từ rotor cũng gồm các lá thép điện kỹ thuật 3 cách điện đối với nhau. Rãnh của rotor có thể song song với trục hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao. Các lá thép điện kỹ thuật đƣợc gắn với nhau thành hình trụ, ở tâm lá thép mạch từ đƣợc đục lỗ để xuyên trục, rotor gắn trên trục. Ở những máy có công suất lớn rotor còn đƣợc đục các rãnh thông gió dọc thân rotor. b. Mạch điện: Mạch điện rotor đƣợc chia thành hai loại: loại rotor lồng sóc và loại rotor dây quấn. Loại rotor lồng sóc (ngắn mạch): Mạch điện của loại rotor này đƣợc làm bằng nhôm hoặc đồng thau. Nếu làm bằng nhôm thì đƣợc đúc trực tiếp và rãnh rotor, hai đầu đƣợc đúc hai vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chính vì vậy gọi là rotor ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì đƣợc làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh, hai đầu đƣợc gắn với nhau bằng hai vòng ngắn mạch cùng kim loại. Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rotor này có tên rotor lồng sóc. Loại rotor ngắn mạch không phải thực hiện cách điện giữa dây dẫn và lõi thép. Loại rotor dây quấn: Mạch điện của loại rotor này thƣờng đƣợc làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống nhƣ thực hiện cuộn dây máy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trƣớc. Cuộn dây rôto dây quấn có số cặp cực và pha cố định. Với máy điện ba pha, thì ba đầu cuối đƣợc nối với nhau ở trong máy điện, ba đầu còn lại đƣợc dẫn ra ngoài và gắn vào ba vành trƣợt đặt trên trục rôto, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài. 1.2.3. Nguyên lý hoạt động Động cơ làm việc dựa vào định luật về luật điện từ F tác dụng lên thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trƣờng có từ cảm B. 4 Chiều và độ lớn của lực F đƣợc xác định theo tích véc tơ F=i.l.B. Đó chính là định luật cơ bản của động cơ biến đổi điện năng thành cơ năng. Khi động cơ đƣợc cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra trong lõi sắt stato một từ trƣờng quay với tốc độ đồng bộ 60 f1 p n1 (1-1) (f1 là tần số dòng điện lƣới đƣa vào, p là số đôi cực của máy) Khi từ trƣờng này quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto và cảm ứng trong thanh dẫn đó sức điện động và dòng điện. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong thanh dẫn roto tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra mômen. Tác dụng đó làm cho roto quay với vận tốc không đồng bộ n (n < n 1). Để chỉ phạm vi tốc độ của động cơ ngƣời ta dùng hệ số trƣợt s, theo định nghĩa hệ số trƣợt bằng: s n1 - n hay n1 s% n1 - n 100 n1 (1-2) Nhƣ vậy khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 1, khi n n1 thì độ trƣợt s = 0 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.3.1. Đặt vấn đề Theo yêu cầu của sản phẩm, động cơ điện lúc làm việc thƣờng phải khởi động và dừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lƣới mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện khác nhau. Có khi yêu cầu mômen khởi động dòng lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động và có khi cần cả 2. Những yêu cầu trên đòi hỏi phải có tính năng khởi động thích ứng. Trong nhiều trƣờng hợp do phƣơng pháp khởi động hay do chọn động cơ có tính năng khởi động không thích đáng nên thƣờng gây nên những sự cố không mong muốn. Nói chung khi khởi động động cơ cần xét đến để thích ứng với đặc tính 5 cơ của tải. - Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải -Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt -Phƣơng pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn -Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càng tốt. Những yêu cầu trên thƣờng mâu thuẫn với nhau, khi yêu cầu dòng điện khởi động nhỏ thƣờng làm cho momen khởi động giảm theo hoặc cần các thiết bị phụ tải đắt tiền. Vì vậy căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phƣơng pháp khởi động thích hợp. Với động cơ không đồng bộ hiện nay có các phƣơng pháp sau : -Khởi động trực tiếp -Khởi động bằng phƣơng pháp hạ điện áp đặt vào stator động cơ: Phƣơng pháp khởi động sử dụng cuộn kháng Phƣơng pháp khởi động sử dụng biến áp tự ngẫu Phƣơng pháp khởi động đổi nối Sao-Tam giác Phƣơng pháp khởi động động cơ roto dây quấn Khởi động bằng phƣơng pháp tần số 1.3.2. Khởi động động cơ dị bộ a) Khởi động trực tiếp Khởi động là quá trình đƣa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im) vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức. Khởi động trực tiếp, là đóng động cơ vào lƣới không qua một thiết bị phụ nào. Việc cấp một điện áp định mức cho stato động cơ dị bộ rotor lồng sóc hoặc động cơ dị bộ ro to dây quấn nhƣng cuộn dây rotor nối tắt, khi rotor chƣa kịp quay, thực chất động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch. Dòng động cơ rất lớn, có thể gấp dòng định mức từ 4 đến 8 lần. Tuy dòng khởi động lớn nhƣ vậy nhƣng mô men khởi động lại nhỏ do hệ số công suất cos (cos 0 0 rất nhỏ = 0,1- 0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị giảm do điện áp 6 giảm làm cho mô men khởi động càng nhỏ. Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả sau: - Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lƣợng toả ra ở máy nhiều (đặc biệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thƣờng xuyên phải khởi động) Vì thế trong sổ tay kỹ thuật sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi động tối đa, và điều kiện khởi động. - Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lƣới điện lớn, gây trở ngại cho các phụ tải cùng làm việc với lƣới điện. Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất nhỏ so với các công suất của nguồn, và khởi động nhẹ (moment cản trên trục động cơ nhỏ). Khi khởi động nặng ngƣời ta không dùng phƣơng pháp này. b) Khởi động dùng phƣơng pháp giảm dòng khởi động Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức: I ngm U1 (R1 R2' ) 2 ( X1 (1-3) X 2' ) 2 Từ biểu thức này chúng ta thấy để giảm dòng khởi động ta có các phƣơng pháp sau: -Giảm điện áp nguồn cung cấp -Đƣa thêm điện trở vào mạch rotor -khởi động bằng thay đổi tần số. -Giảm điện áp Ngƣời ta dùng các phƣơng pháp sau đây để giảm điện áp khởi động:dùng cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu và thực hiện đổi nối sao-tam giác Đặc điểm chung của các phƣơng pháp giảm điện áp là cùng với việc giảm dòng khởi động, mô men khởi động cũng giảm. * Khởi động bằng phƣơng pháp tần số. Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay ngƣời ta đã chế tạo đƣợc 7 các bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó ta có thể áp dụng phƣơng pháp khởi động bằng tần số. Thực chất của phƣơng pháp này nhƣ sau: Động cơ đƣợc cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp nguồn cung cấp có giá trị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt giá trị định mức, thì tốc độ động cơ đạt giá trị định mức. Phƣơng pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động không vƣợt quá giá trị dòng định mức. 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.4.1. Thống kê năng lƣợng của động cơ Về nguyên lý, máy điện không đồng bộ có thể làm việc nhƣ máy phát điện hoặc động cơ không đồng bộ. Ở chế độ làm việc động cơ, năng lƣợng điện đƣợc cung cấp từ lƣới điện và chuyển sang rotor bằng từ trƣờng quay. Dòng năng lƣợng đƣợc biểu diễn nhƣ sau : Công suất nhận từ lƣới điện: P1=m1U1I1cosφ1 (1-10) Ở stato, năng lƣợng bị mất một phần do tổn hao ở điện trở cuộn dây ( PCu1)và trong lõi thép ( PFe1). Vậy công suất điện từ chuyển từ stato sang rotor nhƣ sau: Pđt=P1-ΔPcu1- ΔPFe1 (1-11) Trong đó PCu1=m1I1 R , PFe1=m1I2Fe RFe. Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số. Tổn hao lõi thép phía rotor bỏ qua, vì khi làm việc định mức tần số f2 = (1 - 3)Hz. Công suất điện từ chuyển sang rotor sẽ ứng với công suất tác dụng sinh ra ở điện trở R2‟/s vậy: Pđt=m1I’22 R' 2 s = m1I’22R’2+ m1I’22R’2 1 - s s (1-12) Thành phần thứ nhất là tổn hao đồng ở cuộn dây rotor: ΔPcu2= m1I’22R’2 = m2I22R2 (1-13) Phần công suất còn lại đƣợc chuyển sang công cơ học trên trục động cơ 8 vậy: 1- s = m1I22R2 1 - s s s Pcơ= m1I’22R’2 (1-14) Công suất cơ đƣợc chuyển sang công suất hữu ích P2 và tổn hao cơ các loại ( PCơ) nhƣ: ma sát ổ bi, quạt gió, ma sát rotor với không khí v.v. ngoài ra còn tổn hao phụ do sóng bậc cao, do mạch từ có răng ( Pp). Tổn hao phụ rất nhỏ ( Pp 0,005P1). Vậy công suất hữu ích tính nhƣ sau: P2 = Pcơ - Δ Pcơ- Δ Pp (1-15) Tổng tổn hao của động cơ có giá trị: Δ P = ΔPcu1+ ΔPFe1+ ΔPcu2+ Δ Pcơ+ ΔPp (1-16) Hiệu suất của động cơ: η= P1 = P2 P1 P P1 P P1 =1- (1-17) Sơ đồ năng lƣợng của máy điện dị bộ biểu diễn trên hình 1.16 ΔPcu1 ΔPFe ΔPcu2 Pcơ+ Pp P1 Pđt P2 Hình 1.16. Sơ đồ năng lƣợng của động cơ di bộ 1.4.2. Moment quay (moment điện từ) của động cơ dị bộ. Công suất cơ học của máy điện không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor (tốc độ cơ):Pcơ = M (1-18) cơ Do đó mô men điện từ của máy điện không đồng bộ có thể tính đƣợc bằng biểu thức: Pđt M= (1-19) c Ở đây ωcơ= 2 n = 60 tt tt P = 2 f1 trong đó n tốc độ của rotor tính bằng vòng phút, p - tốc độ góc quay của từ trƣờng đo bằng rad/giây, p- số đôi cực. Thay 9 công suất điện từ bằng ta đƣợc: 1 R' 2 s M= m1I’22 (1-20) c Biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ còn có thể nhận đƣợc ở dạng khác nhƣ sau: Thay vào một giá trị của I2‟ bằng biểu thức và lƣu ý E‟2 có giá trị nhƣ còn cos cos 2 tính từ đồ thị véc tơ (hình trên) có giá trị: R' 2 R'2 2= 1 s s 1 s R '2 s R' 2 R' 2 = 2 (1-21) R'22 X '22 s 2 X '2 Ta nhận đƣợc : M= pm 1 pm 1 tt = tt 4,44kcd1W1 1 f1m1 p ' I 2 cos 2 f1 Hay :M = kI‟2 cos (1-22) 2 (1-23) 2 Có dạng của mômen máy điện dòng một chiều, trong đó k= 4,44kcd1W1 1 f1m1 p 2 chúng ta có cách khác để tính momen điện từ của máy điện không đồng bộ. Trƣớc hết tính dòng I2‟. Ta dùng sơ đồ tƣơng đƣơng gần đúng. U1 Theo sơ đồ ta có:I2’= R1 R2' s (1-24) 2 X1 X ' 2 2 Thay vào (công thức trên) ta đƣợc: M= U1 pm 1 tt R1 R2' s 2 X1 X ' 2 2 R '2 s (1-25) Đây là biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ, có giá trị đo bằng [Nm]. 1.4.3. Đặc tính cơ của động cơ dị bộ ba pha. Đặc tính cơ đƣợc định nghĩa là mối quan hệ hàm giữa tốc độ quay và mô 10