Nội dung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ªªªªª ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG BIẾN TẦN CBHD : TH. S Lê Ngọc Hội SVTH : Tạ Văn Tiến MSSV : 11010603 TP Hồ Chí Minh – Tháng 6/2013 ª Đồ án Truyền động điện ª A. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI áy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm M động cơ điện. Động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày… vì có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác. Trong công nghiệp, động cơ KĐB 3 pha là loại động cơ chiếm 1 tỷ lệ rất lớn. Dải công suất của động cơ cũng rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW. Đó là do động cơ KĐB có những ưu điểm: kết cấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy ngay từ lưới điện công nghiệp. Tuy nhiên, các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dung động cơ KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ 1 chiều. Đó là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp. Chỉ khi có linh kiện bán dẫn công suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển cùng với kỹ thuật điện tử tin học thì các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ KĐB mới được khai thác mạnh hơn. Hiện nay có rất nhiều hệ thống điều tốc động cơ KĐB, chằng hạn như: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong đó hệ thống điều tốc biến tần có hiệu suất cao nhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và là phương hướng phát triển chủ yếu của điều tốc xoay chiều. Trong giới hạn đồ án này chỉ đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng biến tần. 1 ª Đồ án Truyền động điện ª B. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I. Cấu tạo: Hình 1: Cấu tạo ĐCKĐB a)Phần tĩnh (Stato) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi sắt và dây quấn * Vỏ máy 2 ª Đồ án Truyền động điện ª Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau. *Lõi sắt Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại. *Dây quấn Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn stato gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120o điện. b)Phần quay (roto) Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc. Rotor dây quấn : Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ . Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và 3 ª Đồ án Truyền động điện ª được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. c)Khe hở không khí Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm). Để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. II. Nguyên lý làm việc: - Như đã biết trong vât lý, khi dòng điện xoay chiều 3 pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng đi qua 3 cuộn dây là từ trường quay. Nếu trong từ trường quay có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn này và làm xuất hiện 1 sức điện điện cảm ứng trong các thanh dẫn. Trong động cơ KĐB thì phía roto ( phần cảm ứng sức điện động ) được nối ngắn mạch làm xuất hiện dòng điện ( ngắn mạch ) trên dây quấn roto, dòng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này 1 lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra 1 momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. - Tốc độ quay của roto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quét qua các thanh dẫn nữa nên sẽ không có dòng điện cảm ứng nên momen quay cũng không còn. Khi đó, do momen cản roto sẽ quay chậm hơn từ trường quay và các thanh dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn của từ trường quay. Động cơ hoạt động với nguyên tắc này nên được gọi là động cơ không đồng bộ. 4 ª Đồ án Truyền động điện ª - Tốc độ quay của từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số đôi cực càng lớn thì tốc độ từ trường quay càng giảm. Với cuộn cảm tạo ra từ trường có p đôi cực thì tốc độ quay giảm p lần là Hay f1 (vòng/s) p n0 = 60 f1 (vòng/phút) p ω0 = 2p .n0 2p . f 1 = (rad/s) p p (1) Hoặc no, ωo là tốc độ từ trường quay, cũng là tốc độ lớn nhất mà rotor có thế đạt được khi không có bất kì lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ đồng bộ hay tốc độ không tải lý tưởng. Tần số lưới điện Việt Nam là 50Hz và vì p là số nguyên nên tốc độ đồng bộ thường là 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500…(vòng/phút). Tốc độ không đồng bộ của rotor n2 nhỏ hơn tốc độ đồng bộ no và sự sai lệch này được đánh giá qua 1 đại lượng gọi là hệ số trượt s: s= n0 - n 2 w 0 - w 2 w = =1- 2 n0 w0 w0 (2) ở chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị 0 £ s £ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ tương đối của rotor khi từ trường quay: f2 = p.(n0 - n 2 ) = s.f1 (Hz) 60 (3) III. Đặc tính cơ của ĐCKĐB: 1) Phương trình đặc tính cơ: 5 ª Đồ án Truyền động điện ª Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. Đó là sơ đồ điện 1 pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rotor đã được qui đổi về stator: Hình 2: Sơ đồ thay thế 1 pha ĐCKĐB Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha mà rotor không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điện động cảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số qui đổi sức điện động là: KE = E1 ph.đm E 2 ph.đm Từ đó ta có hệ số qui đổi dòng điện: KI = 1 KE Và hệ số qui đổi trở kháng: KR = KX = KE = KE2 KI Với các hệ số qui đổi này, các đại lượng ở rotor được qui đổi về phía stator theo cách sau: - Dòng điện : I’2 = KI.I2 6 ª Đồ án Truyền động điện ª - Điện kháng : X’2 = KX.X2 - Điện trở : R’2 = KR.R2 Các đại lượng khác trên sơ đồ thay thế hình 2: I0 – dòng từ hóa của động cơ. Rm, Xm – điện trở và điện kháng mạch từ hóa. I1 – dòng điện cuộn dây stator. R1,X1 – điện trở và điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện rotor qui đổi về stator được tính từ sơ đồ thay thế: U 1 ph I’2 = 2 R' ö æ 2 ç R1 + 2 ÷ + ( X 1 + X ' 2 ) s ø è (4) Khi động cơ hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang rotor thành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P2 đốt nóng cuộn dây: P12 = Pcơ + ∆P2 Nếu bở qua tổn thất phụ thì có thể xem momen điện từ Mđt của động cơ bằng momen cơ Mcơ: Mđt = Mcơ = M Từ đó: P12 = M.ω0 = Mω + ∆P2 Suy ra : M= DP2 DP2 = w 0 - w s.w 0 (5) Mặt khác, công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha là: 7 ª Đồ án Truyền động điện ª ∆P2 = 3.R’2.I’22 Thay vào phương trình tính moment ta được: M= 3.U 12ph .R' 2 2 éæ ù R' ö 2 s.w 0 .êç R1 + 2 ÷ + X nm ú s ø ëêè ûú (6) Trong đó Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch. Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là phương trình đặc tính cơ của ĐCKĐB 3 pha. Với những giá trị khác nhau của s (0 £ s £ 1) phương trình đặc tính cơ cho ta những giá trị khác nhau của M. Đường biểu diễn M = f(s) gọi là đường đặc tính cơ: Hình 3: Đường đặc tính cơ của ĐCKĐB Đường đặc tính cơ có điểm cực trị K gọi là điểm tới hạn. Tại đó: dM =0 ds 8 ª Đồ án Truyền động điện ª Giải phương trình ta có: sth = ± R' 2 2 R12 + X nm (7) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: Mth = ± 3U 12ph 2 2.w 0 ( R1 ± R12 + X nm ) (8) Vì đang xem xét ở chế động động cơ nên giá trị Mth, sth trên đặc tính cơ chỉ ứng với dấu +. 2) Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp đến đặc tính cơ: Phương trình đặc tính cơ cho ta thấy đặc tính cơ của ĐCKĐB chịu ảnh hưởng của nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2, điện trở và điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p và tần số lưới. Ở đây chỉ đề cập đến ảnh hưởng của tần số lưới đến đặc tính cơ động cơ KĐB 3 pha. Khi f thay đổi thì các thông số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn, momen tới hạn. Khi thay đổi f1 thì tốc đô đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị thay đổi (X = 2 p f L) kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth. Ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator R1 = 0 thì Mth là: Mth = Mặt khác: 3U 12ph 2.w 0 . X nm ω0 = 2p . f 1 p Xnm = X1 + X’2 = ω1L1 + ω1L’2 = ω1.(L1 + L’2) = ω1.Lnm 9