›
›

Đồ án Xây dựng hệ thống tự động truyền động điện động cơ dị bộ bằng điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha công suất P=3kW của phòng thí nghiệm

pdf 79 trang huongle 3390
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Xây dựng hệ thống tự động truyền động điện động cơ dị bộ bằng điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha công suất P=3kW của phòng thí nghiệm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_xay_dung_he_thong_tu_dong_truyen_dong_dien_dong_co_di.pdf

Nội dung text: Đồ án Xây dựng hệ thống tự động truyền động điện động cơ dị bộ bằng điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha công suất P=3kW của phòng thí nghiệm

  1. MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 2 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 2 1.2. HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 3 1.2.1. Sơ đồ khối 3 1.2.2. Nguyên lý hoạt động hệ thống điều chỉnh điện áp 4 1.3. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA 4 1.3.1. Sơ đồ đấu sao có trung tính 5 1.3.2. Sơ đồ tải đấu tam giác 6 1.3.3. Sơ đồ đấu sao không trung tính 7 1.3.4. Nối tam giác từ ba bộ điều áp xoay chiều một pha 12 1.3.5. Bộ điều áp ba pha hỗn hợp 13 1.4. CÁC ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA SƠ ĐỒ 14 1.5. LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA 15 CHƢƠNG 2. ĐỘNG CƠ DỊ BỘ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 17 2.1. MỞ ĐẦU 17 2.2. ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 17 2.2.1. Cấu tạo 17 2.2.2. Nguyên lý làm việc của động cơ dị bộ 21 2.2.3. Các chế độ làm việc của động cơ dị bộ 22 2.2.4. Động cơ làm việc với rotor hở 24 2.2.5. Động cơ có rotor quay 25 2.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 30 2.3.1. Thống kê năng lƣợng của động cơ 30 2.3.2. Momen quay (momen điện từ) của động cơ dị bộ 31
  2. 2.3.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha 33 2.3.4. Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo 36 2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG 37 2.4.1. Khởi động trực tiếp 37 2.4.2. Khởi động dùng phƣơng pháp giảm dòng khởi động 38 2.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 44 2.5.1. Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 44 2.5.2. Thay đổi số đôi cực 47 2.5.3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn cấp 49 2.5.4. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch rotor 49 2.5.5. Thay đổi điện áp ở mạch rotor 50 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 53 3.1. MỞ ĐẦU 53 3.2. MẠCH ĐỘNG LỰC 54 3.2.1. Tính chọn van bán dẫn 54 3.2.2. Chọn phần tử bảo vệ bán dẫn 55 3.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN 57 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 57 3.3.2. Tính toán phân tích mạch điều khiển 59 3.3.3. Mạch hiển thị điện áp 65 3.4. MÔ PHỎNG 66 3.4.1. Các thông số động cơ 66 3.4.2. Sơ đồ mô phỏng động cơ 71 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
  3. LỜI NÓI ĐẦU Trong công nghiệp động cơ dị bộ 3 pha là động cơ chiếm tỷ lệ rất lớn các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lƣới công nghiệp, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW. Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ lại có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ 1 chiều. Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp. Nhƣng với sự ra đời và phát triển nhanh của dụng cụ bán dẫn công suất nhƣ : Diode, Triắc, tranzitor công suất, Thyristor có cực khoá thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ dị bộ mới đƣợc khai thác mạnh hơn. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên và trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, bản đồ án này nghiên cứu : ‘‘Xây dựng hệ thống tự động truyền động điện động cơ dị bộ bằng điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha công suất P = 3kW của phòng thí nghiệm”. Để nghiên cứu đề tài này đòi hỏi phải tìm tòi, nghiên cứu không chỉ những tài liệu trong nƣớc mà còn có những tài liệu nƣớc ngoài. Tuy nhiên với sự giúp đỡ của thầy giáo GS TSKH Thân Ngọc Hoàn em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp này với một kết quả khả quan. Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa điện- điện tử, ngành điện công nghiệp và đặc biệt là thầy giáo GS TSKH Thân Ngọc Hoàn đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hải Phòng, Ngày 28 tháng 10 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thái Thiên
  4. CHƢƠNG 1 CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP DÕNG XOAY CHIỀU 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG Các bộ điều chỉnh điện áp đƣợc dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao, trong khi tần số của sóng hài cơ bản thì giữ nguyên không đổi, bằng tần số của điện áp lƣới. Các bộ điều chỉnh điện áp chủ yếu sử dụng các tiristor mắc song song ngƣợc hoặc triac để thay đổi giá trị điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lƣới theo góc mở α, từ đó mà thay đổi đƣợc giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải. Nhƣợc điểm của các bộ điều chỉnh điện áp là dạng điện áp ra bị méo, nghĩa là ngoài sóng hài cơ bản có tần số bằng tần số lƣới, xuất hiện các thành phần sóng hài bậc cao. Tuy nhiên do cấu trúc rất đơn giản, độ tin cậy cao nên các sơ đồ loại này vẫn đƣợc ứng dụng, đặc biệt trong các trƣờng hợp mà độ méo điện áp không ảnh hƣởng nhiều đến phụ tải. Có thể kể ra 2 trƣờng hợp mà bộ biến đổi điện áp có những ứng dụng quan trọng. Một là đối với tải thuần trở, ví dụ nhƣ cần điều chỉnh điện áp cấp cho sợi đốt của lò điện trở, một pha hoặc ba pha. Rõ ràng là đối với các tải thuần trở thì dạng điện áp không hề ảnh hƣởng đến khả năng phát nhiệt của chúng. Cũng là tải thuần trở có thể kể đến các loại đèn sợi đốt cần điều chỉnh ánh sáng trong một phạm vi rộng, ví dụ trong nhà hát hay các rạp chiếu phim, ở đó đèn sợi đốt là loại duy nhất có thể điều chỉnh ánh sáng bằng điều chỉnh điện áp. Trƣờng hợp thứ hai ứng dụng của bộ điều chỉnh điện áp là khi quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn hoặc trong một phạm vi hẹp. Các bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ thuộc loại này, trong đó do thời gian khởi động chỉ diễn ra trong một vài giây nên độ méo điện áp có thể chấp nhận đƣợc. Sau khi đã khởi động có thể cần điều chỉnh tốc độ hoặc
  5. mômen của động cơ trong một dải hẹp nhờ điều chỉnh điện áp xoay chiều, khi đó độ méo điện áp là không lớn lắm. Bộ điều chỉnh điện áp còn có ứng dụng trong các bộ chỉnh lƣu điều khiển phía sơ cấp máy biến áp. Hai trƣờng hợp đặc trƣng cho các ứng dụng này. Một là, trong các chỉnh lƣu cao áp, trong đó phần một chiều yêu cầu điện áp rất cao, từ 50 đến 100 kV, nhƣng dòng điện lại rất nhỏ, cỡ 0,5 đến 2 A, nhƣ trong phần nguồn cho các bộ lọc bụi tĩnh điện. Khi đó điều chỉnh phía thứ cấp sẽ bất lợi và nguy hiểm vì điện áp quá cao. Giải pháp tốt hơn là điều chỉnh phía sơ cấp máy biến áp với điện áp thấp và dòng điện không lớn lắm. Hai là, ngƣợc lại trƣờng hợp trên, một số nguồn chỉnh lƣu yêu cầu dòng rất lớn, cỡ 10000 đến 100000 A nhƣng điện áp lại nhỏ, cỡ 12 đến 24 VDC. Khi đó điều chỉnh phía thứ cấp cũng bất lợi vì nhiều van phải mắc song song để chịu đƣợc dòng điện lớn. Do đó giải pháp điều chỉnh phía sơ cấp với dòng điện tƣơng đối nhỏ sẽ có lợi hơn. 1.2. HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP. 1.2.1. Sơ đồ khối. Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh điện áp. Mạch lực của động cơ bao gồm ba cặp van nối song song ngƣợc. Ở trạng thái xác lập, các tiristor mở những góc nhƣ nhau và không đổi, trong đó T1, T3,T5 thông ở nửa chu kỳ dƣơng, còn T2, T4, T6 thông ở nửa chu kỳ âm của
  6. điện áp lƣới. Điện áp đạt vào stator của đông cơ Ub (tức điện áp ra của bộ biến đổi). Sẽ là những phần của đƣờng hình sin: U1 = UmsinΩt. Giả thiết đƣờng cong trên hình 1.2 là đồ thị điện áp pha A đƣa vào stator động cơ qua 2 van T1 và T4 mở góc α0 tính từ góc của đƣờng hình sin đó từ π † π +δ nó vẫn thông nhờ năng lƣợng điện từ tích luỹ trong điện cảm của mạch. Tƣơng tự nhƣ vậy van T4 thông ở giữa chu kỳ âm, góc δ phụ thuộc vào góc φ của động cơ, tức là phụ thuộc độ trƣợt của động cơ. Điện áp stator không sin, nhƣ trên hình 1.2 đƣợc phân tích thành những thành phần sóng hài, trong đó sóng bậc 1 là thành phần sinh công cơ học. Giá trị hiệu dụng của sóng bậc 1 (U1b) không những phụ thuộc vào góc thông α0 mà còn phụ thuộc góc pha φ của động cơ. U b U1 Ub 0  0 2 T1 thông T4 thông Hình 3.10. Sơ đồ mạch hiển thị điện áp. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động hệ thống điều chỉnh điện áp. Điện áp đặt đƣa vào bộ điều khiển, điện áp ra điều khiển góc mở tiristor để điều chỉnh điệp áp đặt vào động cơ. Tốc độ động cơ có tỷ lệ với bình phƣơng điện áp nên khi điện áp thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi. 1.3. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA. Các bộ điều áp xoay chiều dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao. Để điều chỉnh điện áp ba pha, có thể sử dụng ba sơ đồ:
  7. - Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các tiristor mắc ngƣợc hoặc triac để thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lƣới theo góc mở α, từ đó đổi đƣợc giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải. - Nối tam giác ba bộ điều áp một pha. - Nối hỗn hợp ba tiristor và ba diode. Dƣới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất. 1.3.1. Sơ đồ đấu sao có trung tính. Ua Ub Uc T3 T1 T2 T4 T5 T6 Za Zb Zc Hình 1.3. Sơ đồ nối sao trung tính. So với sơ đồ này thì các cặp tiristor mắc ngƣợc nhau làm độc lập với nhau. Ta có thể thực điều khiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc không đối xứng. Do đó điệp áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vị điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Các van đấu ở trung tính nên số điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Các van đấu ở điện trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác không có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với các loại tải 3 pha có 4 đầu dây ra.
  8. 1.3.2. Sơ đồ tải đấu tam giác. Sơ đồ này có nhiều điều khác so với sơ đồ có dây trung tính. Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho 2 tiristor của 2 pha 1 lúc. Ua Ub Uc T1 T2 T3 T4 T5 T1 Za Zb Zc Hình 1.4. Sơ đồ tải đấu tam giác. Việc cấp xung điều khiển nhƣ thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động. Hình 1.5. Đặc tính ra của hình 1.4.
  9. 1.3.3. Sơ đồ đấu sao không trung tính. Hình 1.6. Sơ đồ đấu sao không trung tính. Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha nối sao không dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp ba pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α. Trƣờng hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiển không đối xứng, đối xứng khi cả ba tristor dẫn, không đối xứng khi 2 tiristor dẫn. Việc xác điịnh điện áp phải căn cứ vào chƣơng trình làm việc của các tiristor. Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch nhau 120 . Khi đóng hoặc mở 1 tiristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của 2 pha còn lại, ta lƣu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Không có trƣờng hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng. Khi dòng chảy qua cả ba pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha. 1 Kkhi dòng chảy qua cả hai pha thì điện áp trên pha tƣơng ứng bằng điện 2 áp dây.
  10. Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trƣờng hợp sau với tải thuần trở: - Với 0 α 60 : chỉ có giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn. - Với 60 α 90 : chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn hoặc không có van nào dẫn cả. - Với 90 α 150 : chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả. •Với 0 α 60 Trong phạm vi góc α này sẽ có các giai đoạn 3 van và 2 van dẫn xen kẽ nhau. Hình 1.7. Đồ thị điện áp pha A với =30 .
  11. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Dùng 6 tiristor đấu song song ngƣợc với tải thuần trở, tải đấu theo hình sao và cách ly với nguồn α = 30 . + Trong khoảng : Van 1 dẫn ở pha A, van 6 dẫn ở pha B, van 5 dẫn ở pha C suy ra có dòng chảy qua 3 pha nên có UZA = UA. + Trong khoảng: Van 1 dẫn ở pha A, van 6 dẫn ở pha B suy 1 ra có dòng chảy qua 2 pha nên có U = U . ZA 2 AB + Trong khoảng : Van 1 dẫn ở pha A, van 2 dẫn ở pha C, van 6 dẫn ở pha B suy ra có dòng chảy qua 3 pha nên có UZA = UA. + Trong khoảng : Van 1 dẫn ở pha A , van 2 dẫn ở pha C suy ra có dòng chảy qua 2 pha nên UZA = UAC. + Trong khoảng : Van 1 dẫn ở pha A, van 2 dẫn ở pha C, van 3 dẫn ở pha B có dòng chảy qua 3 pha UZA = UA. • Với α = 60 90 : Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn. Dạng điện áp của đồ thị điện áp pha A với α = 75 (hình 1.8). π Khi α biến thiên từ đến khoảng đẫn của các tiristor không đổi và bằng 3 2 một phần 3 chu kỳ nhƣng dẫn lệch pha. π Khi α < θ < + α, các tiristo T và T dẫn. 3 1 6 π π Khi α = , chế độ này sẽ ngừng dẫn, khi góc mở cuối của T = α + vƣợt 2 6 3 5π quá , khi v – v và i và i triệt tiêu khi mồi T . 6 A B A B 4
  12. Ua a b c t T1 T2 T3 T4 T5 T6 Hình1.8. Đồ thị điện áp pha A với =75 . • Với α = 90 150 : Trong trƣờng hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không van nào dẫn cả. +Dạng điện áp của đồ thị điện áp pha A với α = 120 (hình 1.9). Tồn tại khoảng dẫn sau các khoảng tất cả dòng điện triệt tiêu cần mở hai tiristor một lúc. Để làm việc đƣợc cần phải: π - Điều khiển các tiristor bằng các tín hiệu chiều rộng lớn hơn . 3 - Gửi các xung khẳng định. Khi gửi tín hiệu mở 1 tiristor để bắt đầu dẫn phải gửi một xung lên cực điều khiển của tiristor vừa bị khoá. Nhƣ vậy T1 π nhận xung đầu tiên ở θ = α và xung khẳng định ở θ = α + . 3 5π Khi α < θ < , các tiristo T và T dẫn. 6 1 3
  13. 5π π Khi φ. R Vì điện cảm L các dòng điện iA, iB và iC không còn bị gián đoạn nữa, do đó không xảy ra khi < < . 3 2 Tiristor T1 đƣa vào dẫn khi θ = α không gây khoá T5 do dòng iC bị tắt đột ngột, bởi vì dòng điện này không bị gián đoạn. Nếu θ = α, nhờ T3 và T6 dòng iC tồn tại, việc mở T1 làm cho T1, T6 và T5 mở π đồng thời và bắt đầu khoảng cả ba tiristor dẫn ở 0 < α < . 3 Nếu iC bằng không, khi mở T1 làm cho iC, iA và iB bằng không trƣớc khi π 5π θ = α, sơ đồ làm việc ở < α < . 2 6 π π 5π Việc chuyển từ 0 < α < tới < α < đƣợc thực hiện đối với giá trị giới 3 2 6 hạn α1 theo phƣơng trình : 4 1 2e 3Q Sin 1 sin 1 3 2 e 3Q
  14. Ua a b c t T1 T2 T3 T4 T5 T6 Hình 1.9. Đồ thị điện áp pha A với α = 120 . 1.3.4. Nối tam giác từ 3 bộ điều áp xoay chiều một pha. Có một phƣơng án khác tạo nên bộ điều áp ba pha gồm bộ điều áp một pha nối hình tam giác nhƣ sơ đồ ở hình 1.10. Cách nối này cho phép loại trừ các điều hoà bậc ba và bội bậc ba trong dòng điện. Để có thể sử dụng trực tiếp các kết quả của bộ điều áp một pha ta sử dụng các ký hiệu của một pha và chỉ thêm A, B, C. Điện áp dây do nguồn cung cấp: 2π 4π v = V sinθ, v = V sin(θ - ) , v = V sin(θ - ). A m B m 3 C m 3 1 Các tiristor đƣợc nối ở chu kỳ theo trình tự sau đây: 6 T1, T2, T3, T4, T5, T6. Tiristor T1 nhận xung điều khiển tại θ = α. Các điện áp v‟A‟, v‟B‟, v‟C‟ là điện áp trên các pha của tải ; còn vT1, vT3, vT5 là điện áp
  15. của nhóm các tiristor. Các dòng điện iA, iB, iC giống nhau ở một phần ba hoặc hai phần ba chu kỳ. Nhóm tam giác từ ba bộ điều áp một pha đảm bảo triệt tiêu điều hoà bậc ba và bộ ba bộ điều áp do nguồn cung cấp. Các điều hoà này trùng pha trong ba dòng iA, iB, iC. Dòng điện dây iA1 = iA – iC, iA1 = iB – iA, iC1 = iC- iB. U c Ub Ua T5 T4 T1 z T2 z T6 c z b a T3 Hình 1.10. Sơ đồ nối tam giác 3 bộ điều áp xoay chiều một pha. 1.3.5. Bộ điều áp ba pha hỗn hợp. Hình 1.11. Sơ đồ bộ điều áp ba pha hỗn hợp.
  16. Trên sơ đồ ở hình 1.11 ta nhận thấy mỗi pha có một tiristor đƣợc thay thế bằng một diode. Không có dây trung tính làm cho giá trị trung bình của tổng dòng điện pha của tải và điện áp trên cực của nó luôn bằng không. Nếu tải thuần trở, có ba chế độ làm việc liên tiếp sau đay khi α đi từ 0 đến 7 : 6 π Khi 0 < α < : ba hoặc hai linh kiện dẫn. 2 π 2π Khi < α < : Ba, hai hoặc không có linh kiện dẫn. 2 3 2 7π Khi < α < : hai hoặc không có linh kiện dẫn. 3 6 Nếu tải R – L có môđun Z và góc pha φ, để làm thay đổi giá trị hiệu dụng V của dòng điện iA, iB, iC từ cực đại đến không thì góc mồi α phải tăng từ φ Z 7π đến . 6 π 2π Khi φ tăng, sự biến thiên của α theo < α < giảm đi. Khi φ = 30 , 2 3 chế độ này biến mất. 1.4. CÁC ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA SƠ ĐỒ. Các sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều nói chung đều đơn giản, do đó cho độ hiệu quả cao trong quá trình điều chỉnh điện áp xoay chiều. Dạng điện áp ra phụ thuộc nhiều vào góc điều khiển và tính chất của tải. Dạng điện áp ra cũng rất không hình sin. Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nất là với tải thuần trở vì khi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe. Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trƣờng hợp dải điều chỉnh điện áp yêu cầu hẹp hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn, ví dụ trong các bộ khởi động động cơ.
  17. Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của bộ điều chỉnh điện áp nếu sử dụng các van điều khiển hoàn toàn. Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung ở mỗi nửa chu kỳ điện áp lƣới. 1.5. LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA. Đối với các thiết bị có công suất trung bình và lớn, các dòng điện điều hòa có vai trò quan trọng trong việc lựa chọn bộ điều áp. Việc lựa chọn giới hạn sơ đồ tiristor. -Bộ điều áp ba pha. -Ba bộ điều áp một pha ghép thành tam giác. Sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác không tố với dòng điện tải so với bộ điều áp ba pha nhƣng đối với dòng điện lƣới lại tốt hơn. Sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác một dòng làm cho dòng điện điều hòa bậc ba và bội ba, nhƣng dòng điện dây của chúng bị triệt tiêu. Do vậy ta đi đến kết luận: Khi việc giảm điều hòa dòng điện lƣới đóng vai trò quan trọng thì thƣờng chọn sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác. Khi chất lƣợng điện áp trên tải quan trọng thì thƣờng chọn điều áp ba pha. Đó là trƣờng hợp cung cấp cho các máy quay, bởi vì các máy phát điện quay sẽ làm việc xấu khi điện áp bậc ba và bội ba. Các điện áp này tạo nên hệ thống thứ tự không. Khi công suất giảm, cần giảm chi phí đối với các tiristor và mạch điều khiển, khi đó bộ diều áp ba pha có nhiều khả năng: Đặt giữa lƣới và tải, cho phép thay đổi pha khi chuyển từ tam giác sang sao mà không cần thay đổi bộ điều áp. Đặt sao tải cho phép nối hình tam giác ba nhóm tiristor, làm giảm dòng điện và cho phép giảm kích cỡ của tiristor. Đặt sao tải có một cực chung cho tất cả tiristor, điều này làm cho việc điều khiển dễ dàng, nhất là khi thay thế 6 tiristor bằng 3 triac.
  18. Khi vấn đề điều hòa dòng điện dây không quan trọng thì bộ điều áp ba pha và các phƣơng án của nó có lợi hơn phƣơng án nối tam giác ba điều áp một pha. Bộ điều áp ba pha hỗn hợp chỉ đƣợc sử dụng trong các sơ đồ công suất nhỏ vì ảnh hƣởng quan trọng của các điều hòa. Điều hòa bậc hai sẽ tạo nên mômen phản kháng lớn đối với máy điện quay. Tóm lại, trong đề tài ta chọn bộ điều chỉnh điện áp ba pha với 6 tiristor nối thành nhóm 2 tiristor song song.
  19. CHƢƠNG 2 ĐỘNG CƠ DỊ BỘ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 2.1. MỞ ĐẦU Loại động cơ quay đơn giản nhất là loại động cơ không đồng bộ (dị bộ). Động cơ dị bộ có thể là loại 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha, nhƣng phần lớn động cơ dị bộ 3 pha có công suất từ một vài oát tới vài megaoát, có điện áp từ 100V đến 6000V. Căn cứ vào cách thực hiện rotor, ngƣời ta phân biệt 2 loại: loại có rotor ngắn mạch và loại rotor dây quấn. Cuộn dây rotor dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của của cuộn dây dòng xoay chiều Cuộn 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 động cơ rotor dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhƣng có tính năng động tốt hơn, do có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh. 2.2. ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 2.2.1. Cấu tạo Động cơ dị bộ hay còn gọi là động cơ không đồng bộ gồm hai phần cơ bản: Phần quay (rotor) và phần tĩnh (stator). Giữa phần tĩnh và phần quay là khe khí. Ta sẽ nghiên cứu từng phần riêng biệt của động cơ dị bộ. 2.2.1.1. Cấu tạo của stator Stator gồm 2 phần cơ bản là mạch từ và mạch điện. a.Mạch từ: Mạch từ của stator đƣợc ghép bằng các lá thép điện kỹ thuật có chiều dày khoảng 0,3- 0,5mm, đƣợc cách điện 2 mặt để chống dòng Fucô. Lá thép stator có dạng hình vành khăn (hình 2.1), phía trong đƣợc đục các
  20. rãnh. để giảm dao động từ thông, số rãnh stator và rotor không đƣợc bằng nhau. Hình 2.1. Lá thép stator và rotor động cơ dị bộ: 1-Lá thép stator, 2-Rãnh, 3- Răng, 4-Lá thép rotor. Ở những máy có công suất lớn, lõi thép đƣợc chia thành từng phần (section) nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ. Các lá thép đƣợc ghép lại với nhau thành hình trụ. Mạch từ đƣợc đặt trong vỏ máy. Vỏ động cơ đƣợc làm bằng gang đúc hay thép. Để tăng diện tích tản nhiệt, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt. Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên nắp máy có giá đỡ ổ bi. Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có đế để gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc. Trên đỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây. b.Mạch điện của stator
  21. Mạch điện là cuộn dây động cơ ta đã trình bày ở phần trên. 2.2.1.2. Cấu tạo của rotor Mạch từ. Giống nhƣ mạch từ stator, mạch từ rotor cũng gồm các lá thép điện kỹ thuật cách điện đối với nhau có hình nhƣ hình 2.1. 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 là 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 động cơ có công suất lớn rotor còn đục các rãnh thông gió dọc thân rotor. Mạch điện. Mạch điện rotor đƣợc chia làm 2 loại: loại rotor lồng sóc và 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 vào rãnh rotor, 2 đầu đƣợc đúc 2 vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chình 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 2 vòng ngắn mạch cùng kim loại. Bằng cách đó hình thành cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rotor này còn 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(Hình 2.1b). Mạch điện của loại rotor này thƣờng làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống nhƣ thực hiện cuộn dây động cơ xoay chiều đã trình bày ở phần trƣớc. Cuộn dây rotor dây quấn có số cặp cực và pha cố định. Với động cơ ba pha, thì ba đầu cuối đƣợc nối với nhau ở trong
  22. động cơ, ba đầu còn lại đƣợc dẫn ra ngoài và gắn vào ba vành trƣợt đặt trên trục rotor, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài. 2.2.1.3. Bẳng định mức của động cơ Hình 2.2. Cách đấu dây ở bảng đấu dây a) Phiến đồng, b) Cuộn dây nối sao. Ở trên vỏ máy ngƣời ta gắn bảng định mức với nội dung sau: 1. Điện áp định mức. 2. Dòng điện định mức. 3.Tốc độ định mức. 4.Hệ số định mức. Ngoài ra còn cho một vài thông số nữa. Giá trị điện áp và dòng cho ở bảng định mức liên quan tới cách nối dây cuộn dây stator. Cuộn dây stator có thể nối sao hoặc tam giác. Cách nối sao hoặc tam giác đƣợc thực hiện nhƣ sau:
  23. Ở hộp nối dây thƣờng có 6 cọc và 3 thanh đồng có đục sẵn 3 lỗ (hình 2.3a). Nếu muốn nối sao ta chụm 3 phiến đồng ở 3 cọc, 3 đầu còn lại là trụ nối với điện áp nguốn. Nếu nối tam giác thì ta dựng 3 phiến đồng đó lên nhƣ hình 2.3c. 2.2.2. Nguyên lý làm việc của động cơ dị bộ Để xét nguyên lý làm việc của động cơ dị bộ, ta lấy mô hình máy điện ba pha gồm ba cuộn dây đặt cách nhau trên chu vi máy điện một góc 1200, rotor là cuộn dây ngắn mạch. Khi cung cấp vào ba cuộn dây ba dòng điện của hệ thống điện ba pha có tần số là f1 thì trong máy điện sinh ra từ trƣờng quay với tốc độ 60f1/p. Từ trƣờng này cắt thanh dẫn của rotor và stastor, sinh ra ở cuộn stator sđđ tự cảm e1 và ở cuộn dây rotor sđđ cảm ứng e2 có giá trị hiệu dụng nhƣ sau: E1=4,44W1f1kcd E2=4,44W2f1kcd Do cuộn rotor kín mạch, nên sẽ có dòng điện chạy trong các thanh dẫn của cuộn dây này. Sự tác động tƣơng hỗ giữa dòng điện chạy trong dây dẫn rotor và từ trƣờng, sinh ra lực, đó là các ngẫu lực (2 thanh dẫn nằm cách nhau đƣờng kính rotor) nên tạo ra mômen quay. Mômen quay có chiều đẩy stator theo chiều chống lại sự tăng từ thông móc vòng với cuộn dây. Nhƣng vì stator gắn chặt còn rotor lại treo trên ổ bi, do đó rotor phải quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trƣờng. Tuy nhiên tốc độ này không thể bằng tốc độ quay của từ trƣờng, bởi nếu n=ntt thì từ trƣờng không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có sđđ cảm ứng, E2=0 dẫn đến I2=0 và mômen quay cũng bằng không, rotor quay chậm lại, khi rotor chậm lại thì từ trƣờng lại cắt các thanh dẫn, nên lại có sđđ, lại có dòng và mômen, rotor lại quay. Do tốc độ quay của rotor khác tốc độ quay của từ trƣờng nên xuất hiện độ trƣợt và đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
  24. o ntt n o s o 100 o (2.1) ntt Do đó tốc độ quay của rotor có dạng: n = ntt(1- s) (2.2) Bây giờ ta hãy xem dòng điện trong rotor biến thiên với tần số nào. Do n ntt nên (ntt - n) là tốc độ cắt các thanh dẫn rotor của từ trƣờng quay. Vậy tần số biến thiên của sđđ cảm ứng trong rotor biểu diễn bởi: ntt n P ntt ntt n P ntt p ntt n f2   s. f1 (2.3) 60 ntt 60 60 ntt Khi rotor có dòng I2 chạy, nó cũng sinh ra một từ trƣờng quay với tốc độ: 60 f 60sf n 2 1 sn (2.4) tt2 p p tt So với một điểm không chuyển động của stator, từ trƣờng này sẽ quay với tốc độ : ntt2s = ntt2 + n = sntt + n = sntt + ntt(1-s) = ntt Nhƣ vậy so với stator, từ trƣờng quay của rotor có cùng giá trị với tốc độ quay của từ trƣờng stator. 2.2.3. Các loại chế độ làm việc của động cơ dị bộ. Máy điện dị bộ có thể làm việc ở những thể loại sau: Động cơ. Chế độ chúng ta vừa nghiên cứu là chế độ của động cơ của máy điện dị bộ. Ở chế độ này động cơ nhận điện năng từ lƣới điện và biến thành cơ năng để chuyển ra tải. Động cơ có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ của từ trƣờng, quay cùng chiều với từ trƣờng. Chế độ máy phát. Vẫn với mô hình máy điện dị bộ trên, nếu bây giờ ta gắn vào trục máy điện một máy lai ngoài (ví dụ động cơ di-e-zen) và quay rotor với tốc độ n
  25. cùng chiều từ trƣờng nhƣng có giá trị lớn hơn tốc độ từ trƣờng, thì thứ tự cắt các thanh dẫn của rotor sẽ ngƣợc với thứ tự cắt ta vừa nghiên cứu. Sđđ cảm ứng trong các thanh dẫn đổi chiều, dòng điện cũng đổi chiều, trƣớc đây chạy từ lƣới vào máy điện thì bây giờ dòng điện chạy từ máy điện về lƣới điện. Ta có chế độ máy phát. Độ trƣợt bây giờ tính nhƣ sau: ntt-n s = ntt . ntt Chế độ máy hãm. Nếu bây giờ có một lực từ bên ngoài, kéo trục máy dị bộ quay ngƣợc với chiều quay của từ trƣờng, thì sđđ xuất hiện trong các thanh dẫn rô to đổi chiều, làm cho chiều dòng rotor cũng đổi, nên mômen do động cơ sinh ra đổi chiều. Trƣớc đây mômen và tốc độ cùng chiều, còn bây giờ chiều của mômen và chiều của tốc độ ngƣợc nhau, ta có chế độ hãm điện. Vì n = -n nên bây giờ độ trƣợt có giá trị: n -(-n) s = tt >1 ntt Chế độ biến áp Nếu máy điện dị bộ rotor dây quấn để hở cuộn dây rotor, thì khi cấp điện cho mạch stator, từ trƣờng quay stator cắt các cuộn dây rotor và sinh ra sđđ trong các cuộn dây theo nguyên tắc của máy biến áp. Giá trị hiệu dụng của các sđđ này nhƣ sau: E1=4,44kcd1W1f1 (2.5) E2=4,44kcd2W2f1 Trong đó kcd1 và kcd2 là hệ số cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp. Vì mạch rotor hở, nên không có dòng chạy và không có momen. Máy điện dị bộ làm việc nhƣ máy biến áp. Nếu ta khép mạch rotor, nhƣng giữ cho rotor không quay thì tần số của sđđ cảm ứng trong mạch rotor f1=f2, ta vẫn có chế độ biến áp. Máy dị bộ có rotor không quay làm việc nhƣ máy biến áp, trong thực tế đƣợc dùng nhƣ bộ dịch
  26. pha hoặc bộ điều chỉnh điện áp. Tuy nhiên cần lƣu ý, khi rotor động cơ không quay, máy điện bị đốt nóng do phƣơng pháp làm mát bị thay đổi và tổn hao ở lõi thép tăng đột ngột vì Hình 2.3. Các thể loại chế độ làm việc của máy điện dị bộ. độ trƣợt tăng (s=1). Lúc này thƣờng phải giảm dòng bằng giảm điện áp. Động cơ dị bộ làm việc nhƣ máy biến áp, nên có thể cấp nguồn từ phía rotor. Các loại chế độ làm việc của máy điện dị bộ biểu diễn trên hình 2.3. 2.2.4. Động cơ làm việc với rotor hở. Máy điện không đồng bộ có rotor hở, chỉ có ở loại máy điện dị bộ rotor dây quấn. Vì máy điện nhiều pha có đặc điểm là các pha đói xứng, do đó ta chỉ cần nghiên cứu một pha cho máy điện nhiều pha. Để đơn giản cho nghiên cứu ta giả thiết rằng sự phân bố của từ trƣờng ở khe khí có dạng hình sin, có nghĩa là bỏ qua các sóng bậc cao. Trong trƣờng hợp này, dòng điện và điện áp đƣợc xác định bằng giá trị hiệu dụng, còn giá trị stđ và từ thông là giá trị biên độ. Khi rotor hở , dòng rotor bằng không, rotor không quay. Máy điện dị bộ hoàn toàn nhƣ một biến áp, trong đó phía sơ cấp là stator còn phía thứ cấp là rotor. Khi cung cấp cho 3 cuộn dây bằng 3 dòng điện của hệ thống 3 pha, thì sẽ có từ trƣờng quay. Từ trƣờng quay cắt các thanh dẫn stator và rotor tạo ra sđđ cảm ứng e1 và e2 theo nguyên tắc của máy biến áp, giá trị hiệu dụng của chúng biểu diễn bằng biểu thức (2.5). Nhƣ ở máy biến áp, ngoài từ thông chính còn có từ thông tản, liên quan với nó là X1(X1=Lt1). Điện trở thuần cuộn dây stator là R1, vậy phƣơng trình cân bằng sđđ ở chế độ này nhƣ sau:
  27. U 1 E1 I 10 R1 j I 10 X1 (2.6) Hay U1 E1 I10 Z1 (2.6a) Trong đó Z1 = R1 + jX1 là tổng trở mạch stator. Cần lƣu ý rằng khe khí của máy điện dị bộ lớn hơn của máy biến áp (chỉ là chỗ tiếp xúc của các lá thép) nên dòng không tải của máy biến áp nhỏ hơn dòng không tải của máy điện dị bộ rất nhiều, cụ thể dòng không tải của máy biến áp có giá trị I0 = (0,3-0,1)Iđm, còn dòng không tải của máy điện dị bộ có giá trị I0=(0,3-0,5)Iđm (số to cho máy công suất nhỏ, số nhỏ cho máy công suất lớn). Để giảm dòng không tải ở máy điện dị bộ ta giảm khe khí tới mức có thể. Do dòng I2 = 0, công suất nhận vào bây giờ chuyển cả thành tổn hao ở phía sơ cấp nghĩa là: P10= PCu1 + PFe1 (2.7) 2 Trong đó PCu1=R1I10 là tổn hao đồng cuộn dây sơ cấp, PFe1 là tổn hao lõi thép phía stator. Hệ số biến áp của máy dị bộ tính nhƣ sau: E1 kcd14,44W1 f1 kcd1W1 ku (2.8) E2 kc2 4,44W2 f1 kc2W2 Đồ thị véctơ của máy dị bộ ở chế độ này giống nhƣ máy biến áp. 2.2.5. Động cơ dị bộ có rotor quay 2.2.5.1. Phƣơng trình cân bằng sđđ Khi cấp cho stator máy điện dị bộ một điện áp U1 (với máy dị bộ rotor dây quấn cuộn dây phải đƣợc nối tắt lại với nhau, hoặc nối qua các điện trở ngoài), thì trong rotor có dòng điện chạy (I2 0), sẽ làm xuất hiện momen quay và quay rotor với tốc độ n <ntt (theo nguyên lý hoạt động). Sđđ cảm ứng trong cuộn dây stator và trong rotor biểu diễn bằng biểu thức sau:
  28. E1=4,44kcd1W1f1 E2=4,44kcd2W2f2 Ký hiệu E20= 4,44kcd2W2f1 đồng thời lƣu ý f2=sf1 ta có: E20=sE2 (2.9) Bây giờ trong máy điện có 2 từ trƣờng quay: từ trƣờng quay do stator sinh ra và từ trƣờng do rotor sinh ra. Hai từ trƣờng này tác động lên nhau để tạo ra một từ trƣờng tổng nhƣ trong máy biến áp. Từ trƣờng do dòng I2 sinh ra cũng gồm từ thông chính và từ thông tản. Từ thông tản gây ra trở kháng X2=Lt2. Nếu gọi điện trở thuần của rotor là R2 ta có phƣơng trình cân bằng sđđ ở mạch rotor nhƣ sau: Ė2 = İ2R2 + jİ2X2 (2.10) Hay Ė2 = Z2İ2 (2.11) Trong đó Z2=R2 + jX2 là tổng trở mạch rotor. Phƣơng trình cân bằng phía sơ cấp vẫn là (2.6) và (2.6a). Vậy các phƣơng trình (2.6) và (2.10) là phƣơng trình cân bằng điện áp khi động cơ dị bộ có rotor quay. Cụ thể là những phƣơng trình sau: U 1 E1 I 10 R1 j I 10 X1 (2.12) Ė2 = İ2R2 + jİ2X2 (2.13) Từ (2.13) ta có thể tính dòng I2 theo biểu thức: E2 I2 = 2 2 (2.14) R2 +X2 2.2.5.2. Sơ đồ tƣơng đƣơng Giống nhƣ ở máy biến áp, khi phân tích máy điện dị bộ ngƣời ta cũng dùng sơ đồ tƣơng đƣơng mà không dùng máy thực. Khi động cơ dị bộ không quay, nó là một biến áp ngắn mạch phía thứ cấp, tần số ở stator bằng tần số ở rotor. Khi rotor quay tần số phía sơ cấp và phía thứ cấp khác nhau. Để só thể sử dụng sơ đồ tƣơng đƣơng của máy biến áp ta phải
  29. biến đổi để tần số của 2 phía bằng nhau. (Ở máy biến áp tần số phía sơ cấp bằng tần số phía thứ cấp). Muốn thế ta thực hiện mhƣ sau: Ta có: X2 = Lt2 =2 f2Lt2 =2 sf1Lt2 Đặt X20=2 f1Lt2 Vậy: X2=sX20 (2.15) Thay (2.9) và (2.15) vào (2.14) ta đƣợc: sE20 E20 I2 (2.14a) 2 2 2 R2 sX 20 R2 2 X 20 s Do X20 và E20 có tần số là f1 nên dòng stator và dòng rotor có cùng tần số f1. Theo (2.14a) mạch rotor có thể biểu diễn nhƣ hình 2.4. Hình 2.4. Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch rotor có tần số dòng điện bằng tần số dòng ở stator. Tuy mạch rotor đã có tần só bằng tần số stator, nhƣng chúng ta chƣa thể nối mạch rotor với mạch stator vì giá trị điện áp mạch rotor còn khác với mạch stator. Để cho điện áp phía rotor bằng phía stator giống nhƣ biến áp, ta thực hiện tính quy đổi theo nguyên tắc của biến áp. Cụ thể: Điện áp qui đổi: kcd1W1 E‟2= E1= 4,44kcd1W1f1= kuE2 = E2 (2.14b) kc2W2 Dòng điện quy đổi: Giá trị dòng quy đổi đƣợc tính dựa trên nguyên tắc đảm bảo sự không đổi về công suất tác dụng, tức là: m2I2E2cos 2= m1I‟2E‟2cos 2
  30. Từ đây ta : m2I2E2 m2kcd2W2 I‟2= = I2=kiI2 m1E2‟ m1kcd1W1 m1kcd1W1 m1 Trong đó ki = = ku và gọi là hệ số truyền dòng điện m2kcd2W2 m2 Điện trở quy đổi: Sự quy đổi điện trở dựa trên cơ sở bằng nhau về tổn hao, về công suất tác dụng, cụ thể: 2 2 m2I 2 R2= m1I‟ 2 R‟2 do đó: 2 m1 I2 m1 2 R2‟ = 2 R2 = ki R2=kukiR2 m2 I‟2 m2 Tƣơng tự cho X2 X2= kukiX2 Hình 2.5a là sơ đồ song song. Vì R‟2/s= R‟2+R‟2(1-s)/s nên ta có thể chuyển sơ đồ hình 2.5a sang hình 2.5b. Sơ đồ hình 2.5c là sơ đồ hình chữ T, đó là sơ đồ đƣợc dùng nhiều hơn, còn sơ đồ song song đƣợc dùng nhiều ở máy biến áp. Do Z1= R1 jX1 rất nhỏ nên ta có thể nhận E1 U1 và đƣợc sơ đồ hình 2.5d, mặt khác để dòng kích từ không đổi ta đƣa thêm Z1 vào mạch dòng I0. Điện trở R‟2(1-s)/s gọi là điện trở giả định. Từ sơ đồ tƣơng đƣơng ta có phƣơng trình cân bằng của máy điện dị bộ ở chế độ rotor quay (có tải). U 1 E1 I 10 R1 j I 10 X1 İ1 = İ - İ2 (2.16) 1-s Ė = İ R‟ + jİ‟ X‟ + İ‟R‟ 2 2 2 2 20 2 s Để thuận tiện cho đọc giả khi tham khảo các sách khác, từ đây trở đi ta thay X20‟=X2‟ . Đồ thị véc tơ của động cơ dị bộ khi rotor quay biểu diễn trên hình 2.6. Cách ứng dụng giống nhƣ ở máy biến áp.
  31. Hình 2.5. Sơ đồ tƣơng đƣơng máy biến áp khi tải: a,b) Sơ đồ mắc song song, c) Sơ đồ mắc nối tiếp. d) Sơ đồ đơn giản.
  32. Hình 2.6. Đồ thị véc tơ máy biến áp khi tải. 2.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ. 2.3.1. Thống kê năng lƣợng của động cơ. Về nguyên lý, động cơ dị bộ có thể làm việc nhƣ máy phát điện hoặc máy phát 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=m1U1I1cos 1 (2.17) 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 stator sang rotor nhƣ sau: Pđt=P1- PCu1- PFe1 (2.18) 2 2 Trong đó PCu1=m1I1 R1, PFe1=m1IFe RFe. Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số. Tổn hao lõi thép phía rô to 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:
  33. 1-s P = m I ' 2R‟2 = m I 2R ‟+ m I 2R ‟ (2.19) đt 1 2 s 1 2 1 2 s Thành phần thứ nhất là tổn hao đồng ở cuộn dây rotor: 2 2 PCu2 = m1I R2‟= m2I 2 R2 (2.20) Phần công suất còn lại đƣợc chuyển sang công cơ học trên trục động cơ vậy: 1-s 1-s P = m I 2R ‟ = m I 2 R (2.21) cơ 1 2 s 1 2 2 s 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 rô to 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). Hình 2.7. Sơ đồ năng lƣợng của động cơ dị bộ. Vậy công suất hữu ích tính nhƣ sau: P2=Pcơ - PCơ - Pp (2.22) Tổng tổn hao của động cơ có giá trị: P = PCu1+ PFe1 + PCu2+ Pcơ + Pp (2.23) Hiệu suất của động cơ: P2 P1- P P  = = = 1 - (2.24) P1 P1 P1 Sơ đồ năng lƣợng của máy điện dị bộ biểu diễn trên hình 2.7. 2.3.2. Mô men quay (mô men điện từ) của động cơ dị bộ. Công suất cơ học của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor (tốc độ cơ):
  34. Pcơ=Mcơ. (2.25a) Do đó mômen điện từ của động cơ không đồng bộ có thể tính đƣợc bằng biểu thức: Pdt M = (2.25) co 2 n Ở đây  = = tt = 2 f1 , trong đó n-tốc độ quay của rotor tính bằng cơ 60 p p vòng phút, tt-tốc độ góc quay của từ trƣờng đo bằng rad/giây, p-số đôi cực. Thay công suất điện từ bằng (2.19) ta đƣợc: ' 2R‟2 1 M=m1I 2 . (2.26) s co Biểu thức mômen điện từ của máy điện không đồng bộ còn có thể nhận đƣợc ở dạng khác nhƣ sau: Thay vào (2.26) một giá trị của I2‟ bằng biểu thức (2.14a) và lƣu ý E‟2 có giá trị nhƣ (2.14b) còn cos 2 tính từ đồ thị véctơ (hình 2.6) có giá trị: ' ' 1 s R R ' 2 2 R cos s 2 2 2 ' 2 2 ' ' 1 s 2 R2 X 2 s R2 R2 X 2 s Ta nhận đƣợc: ' ' pm1 E2s ' R2 4,44kcd1W11 f1m1 p ' M   I  I  cos (2.26a)  ' ' 2 s 2 f 2 tt R2 X 2 1 Hay: M = kI’2cos 2 (2.26b) Có dạng của mômen máy điện dòng một chiều,trong đó 4,44k W f m p k cd1 1 1 1 1 . 2 Chúng ta còn có cách khác để tính mômen điện từ của máy điện không đồng bộ. Trƣớc hết tính dòng I2‟. Ta dùng sơ đồ tƣơng đƣơng gần đúng (hình 2.5c). Theo sơ đồ ta có:
  35. U I ' 1 (2.27) 2 2 R2 ' R1 X 1 X 2 s Thay vào (2.26) ta đƣợc: pm U 2 R' M 1  1  2 (2.28) ' 2 11 R 2 s 2 ' R1 X1 X 2 s Đây là biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ, có giá trị đo bằng [Nm], muốn đo bằng [KGm] phải chia cho 9,81. 2.3.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. Đặc tính cơ đƣợc định nghĩa là mối quan hệ hàm giữa tốc độ quay và mômen điện từ của động cơ n=f(M). Để dựng đƣợc mối quan hệ này, trƣớc hết ta nghiên cứu công thức (2.27) là mối quan hệ M=f(s) và đƣợc gọi là đặc tính tốc độ của động cơ. Từ biểu thức ta nhận thấy mối quan hệ giữa mômen và độ trƣợt là mối quan hệ phi tuyến. Để khảo sát chúng ta hãy tìm cực trị . Đầu tiên ta tính: dM =0 (2.29) ds Sau khi tính đạo hàm mô men rồi, cho bằng 0 ta tìm đƣợc độ trƣợt tới hạn có giá trị sau: ' R2 sth (2.30) R1 X1 X 2 Ở đây sth-là độ trƣợt tới hạn, tức là giá trị độ trƣợt ở đó xuất hiện mômen cực đại và cực tiểu. Dấu‟+‟ ứng với chế độ động cơ còn dấu „-„ ứng với chế độ máy phát. Thay sth vào (2.28) ta có:
  36. 2 3pU1 M max (2.31) 2 R R2 X X 2 tt 1 1 1 2 Hình 2.8. Đặc tính M=f(s) khi U1=const, f1=const Dấu “+” cho chế độ động cơ, còn dấu trừ cho chế độ máy phát. Để dựng đặc R ‟ tính M=f(s) ta nhận thấy, khi s nhỏ thì R + 2 >> X +X‟ do đó có thể bỏ 1 s 1 2 R ‟ qua X +X‟ ta có mối quan hệ tuyến tính (hình 9.8), còn khi s lớn thì R + 2 1 2 1 s R ‟ << X +X‟ nên nhận R + 2 = 0, ta đƣợc M=K/s, nó là một đƣờng hypecbol 1 2 1 s (hình 2.8). Đƣờng M=f(s) là đƣờng 3 trên hình 2.8. Giữa M và độ trƣợt còn có thể biểu diễn bởi biểu thức sau 2M M max (2.32) s s th sth s Để dựng đặc tính tốc độ ngƣời ta thƣờng dùng công thức này và có tên là công thức Kloss. Hệ số quá tải là tỷ số giữa mômen cực đại đối với mômen định mức :
  37. Mmax Kqt = (2.32) Mđm Ta hãy xét ảnh hƣởng của một số thông số lên mômen động cơ: -Ảnh hƣởng của sự thay đổi điện áp mạng cấp U1 Từ biểu thức (2.28) và (2.31) ta thấy khi điện áp U1 giảm thì mômen cực đại và mômen giảm theo tỷ lệ bình phƣơng, điều đó rất dễ làm cho động cơ dừng dƣới điện.(hình 2.9). Hình 2.9. Ảnh hƣởng của điện áp nguồn Hình 2.10. Ảnh hƣởng của điện nạp đối với mômen động cơ. trở rotor lên mômen động cơ. Khi thay đổi điện trở X ở mạch stator, hậu quả nhƣ giảm điện áp nguồn vì điện áp đặt lên động cơ bằng điện áp nguồn trừ đi độ sụt áp trên điện trở X. Trên hình 2.10 biểu diễn sự thay đổi của mô men khi thay đổi điên trở của rô to động cơ. Khi thay đổi điện trở R‟2 sẽ làm thay đổi độ trƣợt tới hạn, nhƣng không thay đổi mô men cực đại (2.31). Đặc tính cơ: Để có đƣợc đặc tính cơ M=f(n) ta dựa vào mối quan hệ: n=ntt(1-s) (2.33) Cho s những giá trị khác nhau ta có giá trị của n, từ (2.28) ta tính M, lập bảng mối quan hệ n=f(M) rối dựng đồ thị mối quan hệ này hình 2.11.
  38. Hình 2.11. đặc tính cơ động cơ dị bộ. Từ đặc tính cơ ta có nhận xét: đặc tính cơ chia làm 2 đoạn: đoạn a-b và đoạn b-c. Đoạn ab là đoạn làm việc ổn định, vì trên đoạn này mỗi khi chế độ ổn định cũ bị phá vỡ thì nó lại thiết lập chế độ ổn định mới. Trên đoạn bc ta không có đƣợc tính chất đó. Từ đặc tính cơ ta thấy có 2 chế độ đặc trƣng: -Khi M=0 thì có n=n0 (n0 là tốc độ không tải có giá trị bằng tốc độ từ trƣờng quay). Chế độ này thực tế không có, để nghiên cứu ta phải gắn máy lai ngoài với động cơ rồi quay rotor với tốc độ bằng tốc độ quay của từ trƣờng, ta gọi chế độ này là chế độ không tải lý tƣởng. -Khi n=0. Đây là chế độ khi vừa đƣa động cơ vào lƣới cung cấp, động cơ chƣa kịp quay, ta gọi là chế độ khởi động , ứng với chế độ khởi động có mômen khởi động. Ngoài ra động cơ còn có tốc độ n = 0 trong trƣờng hợp động cơ không làm việc, không có điện áp cung cấp cho stator. Lúc này không có gì xảy ra, chúng ta không bàn tới. 2.3.4. Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo Đặc tính cơ tự nhiên: đây là đặc tính cơ đƣợc xây dựng khi các thông số của máy nhƣ điện áp, điện trở, tần số có giá trị định mức. Còn đặc tính cơ nhân tạo là dặc tính cơ khi có một trong các thông số trên thay đổi, các thông số khác không đổi. Trên hình 2.12 biểu diễn đặc tính cơ cho các trƣờng hợp thay
  39. đổi điện áp, thay đổi số đôi cực, thay đổi tần số nguồn cung cấp và thay đổi điện trở rotor. Hình 2.12. Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ dị bộ a) Khi U1=Var ; b) Khi p=Var, c) Khi f=Var, d) Khi R2=Var Qua đặc tính chúng ta thấy: khi U1 = var thì mômen cực đại thay đổi, còn khi số đôi cực thay đổi, tốc độ không tải thay đổi, mômen cực đại cũng thay đổi. Khi thay đổi tần số, tốc độ không tải thay đổi, ở phạm vi f=fđm nếu điều chỉnh tần số theo nguyên tắc U1/f1=const thì mômen cực đại không đổi, còn ở ngoài phạm vi trên mặc dầu điều chỉnh tần số theo nguyên tắc U1/f1=const vẫn làm cho mômen cực đại giảm. Thay đổi điện trở rotor thì mômen cực đại không thay đổi. 2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG 2.4.1. Khởi động trực tiếp.
  40. 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 stator động cơ dị bộ rotor lồng sóc hoặc động cơ dị bộ rotor 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 mômen khởi động lại nhỏ do hệ số công suất cos 0 rất nhỏ (cos 0 = 0,1-0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị giảm do điện áp giảm làm cho mômen khởi động càng nhỏ. Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả quan trọng: -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, và khởi động nhẹ (mômen cản trên trục động cơ nhỏ). Khi khởi động nặng ngƣời ta không dùng phƣơng pháp này. 2.4.2. Khởi động dùng phƣơng pháp giảm dòng khởi động. Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức: U I 1 ngm 2 R R 2 X X ' 1 2 1 2 (2.34) 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;
  41. -khởi động bằng thay đổi tần số. 2.4.2.1. Khởi động động cơ dị bộ rotor dây quấn Với động cơ dị bộ rotor dây quấn để giảm dòng khởi động ta đƣa thêm điện trở phụ vào mạch rotor. Lúc này dòng ngắn mạch có dạng: U I 1 ngm 2 R R R 2 X X ' 1 2 p 1 2 (2.35) Việc đƣa thêm điện trở phụ Rp vào mạch rotor ta đƣợc 2 kết quả: làm giảm dòng khởi động nhƣng lại làm tăng mômen khởi động. Bằng cách chọn điện trở Rp ta có thể đạt đƣợc mômen khởi động bằng giá trị mômen cực đại hình 2.13b. Hình 2.13. Khởi động động cơ dị bộ rotor dây quấn a) Sơ đồ, b) đặc tính cơ. Khi mới khởi động, toàn bộ điện trở khởi động đƣợc đƣa vào rotor, cùng với tăng tốc độ rotor, ta cũng cắt dần điện trở khởi động ra khỏi rotor để khi tốc độ đạt giá trị định mức, thì điện trở khởi động cũng đƣợc cắt hết ra khỏi rotor, rotor bây giờ là rotor ngắn mạch.
  42. 2.4.2.2. Khởi động động cơ dị bộ rotor ngắn mạch Với động cơ rotor ngắn mạch do không thể đƣa điện trở vào mạch rotor nhƣ động cơ dị bộ rotor dây quấn để giảm dòng khởi động ta thực hiện các biện pháp sau: a. 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. Sơ đồ các loại khởi động này biểu diễn trên hình 2.14. Hình 2.14. Các phƣơng pháp giảm điện áp khi khởi động động cơ dị bộ a) Dùng cuộn kháng, b) Dùng biến áp tự ngẫu (BATN); c) Dùng đổi nối sao-tam giác. Đặc điểm chung của các phƣơng pháp giảm điện áp là cùng với việc giảm dòng khởi động, mômen khởi động cũng giảm. Vì mômen động cơ tỷ lệ với bình phƣơng điện áp nguồn cung cấp, nên khi giảm điện áp mômen giảm theo
  43. tỷ lệ bình phƣơng, ví dụ điện áp giảm 3 lần thì mômen giảm đi 3 lần. Việc thực hiện đổi nối sao-tam giác chỉ thực hiện đƣợc với những động cơ khi làm việc bình thƣờng thì cuộn dây stator nối tam giác. Do khi khởi động cuộn dây stator nối sao, điện áp đặt lên stator nhỏ hơn 3 lần khi chuyển sang nối tam giác, dòng điện giảm 3 lần mô men giảm đi 3 lần. Khi khởi động bằng biến áp, nếu hệ số biến áp là ku thì điện áp trên tụ đấu dây của động cơ giảm đi ku lần so với điện áp định mức, dòng khởi động giảm đi ku, mô men khởi động 2 sẽ giảm đi ku lần.Tất cả các phƣơng pháp khởi động bằng giảm điện áp, chỉ thực hiện đƣợc ở những động cơ có khởi động nhẹ, còn động cơ khởi động nặng không áp dụng đƣợc, ngƣời ta khởi động bằng phƣơng pháp „nhớm‟. b. Khởi động bằng phƣơng pháp tần số. Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay ngƣời ta đã chế tạo đƣợc 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. 2.4.2.3. Khởi động động cơ có rãnh sâu và động cơ 2 rãnh. Nhƣ chúng ta đã biết khởi động động cơ dị bộ bằng đƣa điện trở vào mạch rotor là tốt nhất, tuy nhiên với động cơ dị bộ rotor lồng sóc thì không làm điều đó đƣợc. Song chúng ta có thể thực hiện khởi động động cơ dị bộ rotor lồng sóc có đƣa điện trở phụ vào bằng dùng những động cơ ngắn mạch đặc biệt: động cơ rãnh sâu và động cơ 2 rãnh. a. Động cơ rotor lồng sóc 2 rãnh.
  44. Để cải thiện khởi động đối với động cơ dị bộ lồng sóc, ngƣời ta chế tạo động cơ lồng sóc 2 rãnh: rãnh công tác làm bằng vật liệu bình thƣờng, còn rãnh khởi động làm bằng đồng thau là kim loại có điện trở riêng lớn (Hình 2.15). Hình 2.15. Động cơ rô to lồng sóc 2 rãnh 1-Rãnh khởi động,2 Rãnh công tác. Từ hình vẽ ta thấy rằng, độ dẫn từ của từ thông tản rãnh dƣới lớn hơn của rãnh ngoài (trên). Nhƣ vậy trở kháng của các rãnh này rất khác nhau: trở kháng của rãnh dƣới lớn hơn trở kháng của rãnh trên rất nhiều. Khi mới bắt đầu khởi động (s=1) trở kháng của rãnh dƣới lớn, nên dòng điện bị đẩy lên rãnh trên, dòng điện chạy trong nó nhỏ. Ở rãnh trên trở kháng nhỏ nhƣng điện trở thuần lại lớn, kết quả làm cho dòng khởi động nhỏ, đó là hậu quả của việc đƣa thêm điện trở vào rotor. Khi tốc độ rotor tăng lên, s giảm đi, trở kháng rãnh dƣới giảm, dòng điện lại chạy từ rãnh trên xuống rãnh dƣới. Khi tốc độ đạt giá trị định mức, thì dòng điện chạy trong thanh trên rất nhỏ. Nhƣ vậy thanh trên chỉ hoạt động khi khởi động nên đƣợc gọi là thanh khởi động. b. Động cơ rotor lồng sóc rãnh sâu.
  45. Động cơ rãnh sâu có cấu trúc khác với động cơ rãnh thƣờng. Chiều cao h của rãnh động cơ rãnh sâu thƣờng gấp 15-20 lần chiều rộng của rãnh (hình 2.16). Rãnh có nhiều dạng khác nhau: Chữ nhật, hình thang hay tròn dƣới, trên chữ nhật Hình 2.16. a)Rãnh của động cơ lồng sóc rãnh sâu; b) Sự phân bố độ dẫn từ theo chiều cao rãnh, c) Độ phân bố mật độ dòng điện theo chiều cao rãnh. Để nghiên cứu tính chất của máy điện rãnh sâu ta chia rãnh ra từng lớp với chiều cao hi. Do trong rãnh có nhôm, nên độ dẫn từ thông tản quyết định bởi độ dẫn từ trong rãnh. Độ dẫn từ của lớp 1 biểu diễn bởi: h l  = 1 =ch 1 b 1 Lớp k tính nhƣ sau: h l  = k =ch k b k Trong đó l - độ dài lõi của rotor. Từ biểu thức này ta thấy rằng, độ dẫn từ thông tản lớn nhất ở lớp dƣới cùng, còn nhỏ nhất ở lớp trên cùng. Trở kháng tản của mỗi lớp xác định nhƣ sau: Xk=2Lk =Ckf2 (2.36) Đến đây, ta có thể nói về sự phân bố mật độ dòng điện theo chiều cao của thanh dẫn. Giá trị dòng điện chạy trong mỗi lớp phụ thuộc vào điện áp và
  46. tổng trở của mỗi lớp. Do sđđ cảm ứng bởi từ thông chính trong các lớp nhƣ nhau do đó sự phân bố dòng điện các lớp phụ thuộc vào tổng trở của lớp. Khi động cơ mới đóng vào lƣói, tần số f2=f1 nên Xk lớn hơn Rk rất nhiều, ngƣợc lại khi rotor quay với tốc độ gần bằng tốc độ định mức thì tần số f2 rất nhỏ nên Xk<<Rk. Do đó khi mới khởi động, dòng điện chạy trong các lớp dƣới rất nhỏ, ngƣợc lại khi rotor quay với tốc độ gần định mức thì dòng điện chạy ở lớp trên rất nhỏ. Nhƣ vậy khởi động với động cơ rãnh sâu mômen khởi động lớn (Mkđ =1,2-1,6)Mđm. Trên hình 2.17 biểu diễn đặch tính mômen và dòng điện của động cơ rãnh sâu, còn trên hình 2.18 biểu diễn đặc tính cơ của 3 loại động cơ : dây quấn, lồng sóc thƣờng và lồng sóc rãnh sâu. Do động cơ lồng sóc rãnh sâu có mômen khởi động lớn nên nó đƣợc dùng cho các hệ truyền động có khởi động nặng ví dụ: cần cẩu. So với động cơ dị bộ rotor dây quấn, thì động cơ lồng sóc rãnh sâu có cấu tạo nhẹ hơn, rẻ tiền hơn. Hình 2.17. Đặc tính cơ và đặc tính Hình 2.18. Đặc tính cơ của động cơ dòng điện của động cơ rãnh sâu. 1. dị bộ. 1) Động cơ dây quấn, 2) Động Đặc tính dòng điện; cơ lồng sóc thƣờng, 3)Động cơ rãnh 2. Đặc tính cơ. sâu. 2.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 2.5.1. Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1
  47. Phƣơng pháp này chỉ sử dụng đƣợc khi nguồn cung cấp có khả năng thay đổi tần số. Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh đƣợc chế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm đƣợc nguồn cung cấp năng lƣợng điện có tần số thay đổi, do đó phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số đang đƣợc áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện dòng một chiều. Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stator ta có: U1=E1=4,44f1W1kcd1 (2.37) Hay U1=kf1 (2.37a) Từ biểu thức này ta thấy nếu thay đổi f1 mà giữ U1=const thì từ thông sẽ thay đổi. Việc thay đổi từ thông làm giảm điều kiện công tác của máy điện, thay đổi hệ số cos 1, thay đổi hiệu suất và tổn hao lõi thép, do đó yêu cầu khi thay đổi tần số phải giữ cho từ thông không đổi. Mặt khác trong điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động cơ không đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh, điều đó có nghĩa là phải giữ cho Mmax=const. Muốn giữ cho Mmax=const thì phải giữ cho từ thông không đổi. Muốn giữ cho từ thông không đổi thì khi thay đổi tần số ta phải thay đổi điện áp đảm bảo sự cân bằng của (2.37a). Mômen cực đại có thể biểu diễn bởi biểu thức: 2 U1 Mmax= C (2.38) f1 Nếu hệ số quá tải không đổi, thì tỷ số của mômen tới hạn ở 2 tốc độ khác nhau phải bằng tỷ số mômen cản ở 2 tốc độ đó tức là: 2 2 M’th M’c U’1 f’’1 = = 2 = 2 (2.39) M’’th M’’c f’1 U’’1 Từ đây ta có: U’1 f’1 M’c = = (2.40) U’’1 f’’1 M’’c
  48. trong đó M‟th và Mc‟ là mômen tới hạn và mômen cản ứng với tần số nguồn nạp f1‟, điện áp U1‟ còn M‟‟th và Mc‟‟ là mômen tới hạn và mômen cản ứng với tần số nguồn nạp f1‟‟ và điện áp U1‟‟. Nếu điều chỉnh theo công suất không đổi P2=const thì mômen của động cơ tỷ lệ nghịch với tốc độ do vậy: M’c f’’1 = (2.41) M’’c f’1 Do đó: U’1 f’1 = (2.42) U’’1 f’’1 Trong thực tế ta thƣờng gặp điều chỉnh với Mc=const do đó: U1 = const (2.43) f1 Khi giữ cho  =const thì cos =const, hiệu suất không đổi, I0=const. Nếu mômen cản có dạng quạt gió thì : f’1 U’1 2 = f’’ (2.44) U’’1 1 Hình 2.19. Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f1>f2>f3. Theo các biểu thức trên đây thì khi thay đổi tần số, mômen cực đại không đổi. Điều đó chỉ đúng trong phạm vi tần số định mức, khi tần số vƣợt ra ngoài
  49. phạm vi định mức thì khi tần sô giảm, mômen cực đại cũng giảm do từ thông giảm, sở dĩ nhƣ vậy vì để nhận đƣợc các biểu thức trên ta đã bỏ qua độ sụt áp trên các điện trở thuần, điều đó đúng khi tần số lớn, nhƣng khi tần số thấp thì giá trị X giảm, ta không thể bỏ qua độ sụt áp trên điện trở thuần nữa, do đó từ thông sẽ giảm và mômen cực đại giảm. Trên hình 2.19 biểu diễn đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số với f1>f2>f3. 2.5.2. Thay đổi số đôi cực. Nếu động cơ dị bộ có trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực thì ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực. Để thay đổi số đôi cực ta có thể : -Dùng đổi nối một cuộn dây. Giả sử lúc đầu cuộn dây đƣợc nối nhƣ hình 2.20a, khi đó số cặp cực là p, nếu bây giờ đổi nối nhƣ hình 2.20b ta đuợc số cặp cực p/2. Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực biểu diễn trên hình 2.20c. Hình 2.20. Cách đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p b) Mắc song song số đôi cực là p/2; c)Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực. Với cách nối này ta có: Giả thiết rằng hiệu suất và hệ số cos không đổi thì công suất trên trục động cơ ở sơ đồ Y sẽ là: PY= 3 UdIpcos 1 Cho sơ đồ YY ta có: PYY = Ud 2Ipcos 1 , do đó PY/PYY =2.
  50. Ở đây Ip-dòng pha. Nhƣ vậy khi thay đổi tốc độ 2 lần thì công suất cũng thay đổi với tỷ lệ ấy. Cách đổi nối này gọi là cách đổi nối có M=const. Ngƣời ta còn thực hiện đổi nối theo nguyên tắc sang YY(sao kép) hình 2.21b. Ta có: P = 3 Ud Ipcos 1 PYY = Ud 2Ipcos 1 , do đó PYY/P =2/ =1,15 thực tế coi nhƣ không đổi. Đây là cách đổi nối có P=const. Hình 2.21. Đổi nối cuộn dây a) Y YY, b) YY. -Dùng cuộn dây độc lập với những số cực khác nhau, đó là động cơ dị bộ nhiều tốc độ. Với động cơ loại này stator có 2 hoặc 3 cuộn dây, mỗi cuộn dây có số đôi cực khác nhau. Nếu ta trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây thì ta đƣợc 6 số cặp cực khác nhau ứng với 6 tốc độ. Đặc điểm của phƣơng pháp thay đổi tốc độ bằng thay đổi số đôi cực: rẻ tiền, dễ thực hiện. Tuy nhiên do p là một số nguyên nên thay đổi tốc độ có tính nhảy bậc và phạm vi thay đổi tốc độ không rộng.
  51. 2.5.3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn cung cấp. Thay đổi điện áp nguồn cung cấp làm thay đổi đặc tính cơ (hình 2.22). Vì 2 mô men cực đại Mmax=cU1 , nên khi giảm điện áp thì mômen cực đại cũng giảm mà không thay đổi độ trƣợt tới hạn (vì sth R2/X2). Nếu mômen cản không đổi thì khi giảm điện áp từ Uđm tới 0,9Uđm tốc độ sẽ thay đổi, nhƣng khi điện áp giảm tới 0,7Uđm thì mômen của động cơ nhỏ hơn mômen cản, động cơ sẽ bị dừng dƣới điện. Đặc điểm của phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp là phạm vi điều chỉnh hẹp, rất dễ bị dừng máy, chỉ điều chỉnh theo chiều giảm tốc độ. Mặt khác vì Pđt= CE20I2cos 2 = C1U1I2cos 1=const nên khi giảm điện áp U1, mà mômen cản không đổi sẽ làm tăng dòng trong mạch stator và rotor làm tăng tổn hao trong các cuộn dây. Để thay đổi điện áp ta có thể dùng bộ biến đổi điện áp không tiếp điểm bán dẫn, biến áp hoặc đƣa thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stator. Đƣa thêm điện trở thuần sẽ làm tăng tổn hao, nên ngƣời ta thƣờng đƣa điện kháng vào mạch stator hơn. 2.5.4. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch rotor. Phƣơng pháp điều chỉnh này chỉ áp dụng cho động cơ dị bộ rotor dây quấn. Bằng việc tăng điện trở rotor, đặc tính cơ mềm đi nhiều, nếu mômen cản không đổi ta có thể thay đổi tốc độ động cơ theo chỉều giảm. Nếu điện trở phụ thay đổi vô cấp ta thay đổi đƣợc tốc độ vô cấp, tuy nhiên việc thay đổi vô cấp tốc độ bằng phƣơng pháp điện trở rất ít dùng mà thay đổi nhảy bậc do đó các điện trở điều chỉnh đƣợc chế tạo làm việc ở chế độ lâu dài và có nhiều đầu ra. Giá trị điện trở phụ đƣa vào rotor có thể tính bằng công thức: s2 Rp= 1 R2 trong đó s1 và s2 ứng với tốc độ n1 và n2. s1
  52. Khi Mc=const thì phạm vi điều chỉnh tốc độ là n1 –n3 (hình 2.23), khi Mc tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ sẽ tăng lên. Khi mômen cản không đổi thì công suất nhận từ lƣới điện không đổi trong toàn phạm vi điều chỉnh tốc độ. Công suất hữu ích P2=M2 ở trên trục động cơ sẽ tăng khi độ trƣợt giảm. Vì P=Pđt-P2=M(1-2) là tổn hao rotor nên khi độ trƣợt lớn tổn hao sẽ lớn. Hình 2.22. Đặc tính cơ của động cơ Hình 2.23. Đặc tính cơ của động cơ dị bộ khi thay đổi điện áp nguồn cung dị bộ dây quấn khi thay đổi điện điện cấp trở rotor Đặc điểm của phƣơng pháp điều chỉnh điện trở rotor là điều chỉnh láng, dễ thực hiện, rẻ tiền nhƣng không kinh tế do tổn hao ở điện trở điều chỉnh, phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào tải. Không thể điều chỉnh ở tốc độ gần tốc độ không tải. 2.5.5. Thay đổi điện áp ở mạch rotor. Trƣớc khi bƣớc vào nghiên cứu phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng đƣa thêm sđđ vào mạch rotor, ta thực hiện việc thống kê công suất ở máy điện không đồng bộ khi có đƣa điện trở phụ vào mạch rotor. Công suất nhận vào: P1=m1U1I1cos 1 Công suất điện từ hay còn gọi là công suất từ trƣờng quay:
  53. Pđt=P1- P1 = P1-( PCu1 + PFe1) Đây là công suất chuyển qua từ trƣờng sang rotor. Công suất điện từ đƣợc chia ra công suất điện và công suất cơ: Pđt=Pcơ+Pđiện trong đó: Pđiện = PCu2+P2 Ở đây P2 là tổn hao trên điện trở phụ đƣa vào mạch rotor , còn PCu2 là tổn hao đồng cuộn dây rotor do đó: 2 P2=m2I2Rp, còn PCu2= m2R2.I2 1 s Công suất cơ học Pcơ : là công suất ở điện trở : (R’2+R’p) do vây: s 2 1 s Pcơ =m1(R’2 +R’p)I’2 . s Khi thay đổi tốc độ quay bằng thay đổi đện trở mạch rotor, là ta đã làm thay đổi P2 truyền cho điện trở phụ để công suất cơ khí Pcơ thay đổi vì: Pđt=Pcơ+P2+ PCu2 =const trong đó PCu2 = const. Bây giờ chúng ta nghiên cứu một phƣơng pháp khác thay đổi công suất P2 trong mạch rotor. Đó là phƣơng pháp đƣa thêm vào mạch rotor một đại lƣợng: E2 (hình 2.24) có cùng tần số rotor và cũng phải thay đổi theo tốc độ. Giả thiết rằng điều chỉnh tốc độ theo nguyên tắc :M=const, Pđt=const. Trong điều kiện đó, thống kê công suất nhƣ sau (hình 2.24): Pđt= Pcơ+Pđiện= Pcơ+P2+ PCu2 =const (2.45) Tổn hao điện PCu2 trong trƣờng hợp này không đổi vì giá trị dòng điện I2 không phụ thuộc vào độ trƣợt. Trong vùng ổn định của đặc tính cơ tồn tại một giá trị dòng điện I2 và một giá trị hệ số cos 2 thoả mãn quan hệ: Pđt=m2E20I2cos 2 cI2cos 2 =const
  54. Nếu tăng công suất phát P2 (công suất phát mang dấu + trong biểu thức (2.45) cho một tải nào đó ở mạch rotor sẽ làm giảm công suất cơ khí Pcơ vậy khi mômen cản không đổi sẽ làm tốc độ thay đổi (n=cPcơ), nếu mạch rotor đƣợc cấp vào một công suất tác dụng P2 (có dấu âm trong biểu thức (2.45) thì Pcơ sẽ tăng, đồng nghĩa với tốc độ tăng. Nếu mạch rotor đƣợc cung cấp một công suất P2 bằng tổn hao PCu2 lúc này Pđiện =sPđt =0 có nghĩa là s=0 vậy động cơ quay với tốc độ từ trƣờng. Hình 2.24. Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch rotor động cơ dị bộ khi đƣa thêm sđđ vào. Nếu bây giờ cấp cho mạch rotor một công suất P2 > Pcu2 thì động cơ quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ. Phƣơng pháp thay đổi tốc độ này cho phép thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng (trên và dƣới tốc độ đồng bộ). Thay đổi pha của E2 làm thay đổi hệ số công suất stator và rotor, hệ số công suất có thể đạt giá trị cos =1 thậm chí có thể nhận đƣợc hệ số công suất âm. Nếu ta đƣa vào rotor công suất phản kháng thì động cơ không phải lấy công suất kháng từ lƣới, lúc này dòng kích từ cần thiết để tạo từ trƣờng động cơ nhận từ mạch rotor. Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ trên đây gọi là phƣơng pháp nối tầng
  55. CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1. MỞ ĐẦU Động cơ không đồng bộ ba pha đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỉ lệ rất lớn so với các động cơ khác. Sở dĩ nhƣ vậy là do động cơ không đồng bộ kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lƣới điện xoay chiều ba pha. Với sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học thì việc khai thác tối đa các ƣu điểm của động cơ không đồng bộ ngày càng tốt hơn. Một trong những sự tiến bộ vƣợt bậc đó là việc thay đổi tốc độ động cơ bằng thay đổi điện áp xoay chiều ba pha. Dƣới đây ta sẽ xây dựng hệ thống tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ bằng điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha. Hệ thống gồm 2 phần cơ bản: - Mạch động lực. - Mạch điều khiển. Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống. Các thông số của hệ thống: P = 3kW; cos = 0,8;  = 0,9.
  56. 3.2. MẠCH ĐỘNG LỰC Ta lƣạ chọn mạch động lực là mạch điện áp xoay chiều 3 pha bằng cặp tiristor mắc song song ngƣợc tải đấu sao không dây trung tính. Hình 3.2. Sơ đồ mạch động lực. 3.2.1. Tính chọn van bán dẫn Trong điều áp xoay chiều , dòng điện chạy qua tải thƣờng xác định là dòng hiệu dụng. Thông số dòng điện để chọn van bán dẫn đƣợc tính là dòng điện lớn nhất trong quá trình làm việc. Trong điều khiển xung pha, dòng điện lớn nhất khi góc mở van dẫn nhỏ nhất. Góc mở nhỏ nhất của van bán dẫn thƣờng nhận giá trị số α = 0 khi dòng điện tải là dòng điện hình sin. Dòng điện hiệu dụng chạy qua van bán dẫn khi tải đấu sao bằng:
  57. Dòng điện của tiristor đƣợc chọn là: Chọn điều kiện làm mát cho tiristor là cánh tản nhiệt. Với điều kiện này tiristor cho làm việc với dòng điện đến 30% dòng điện định mức. Dòng điện của tiristor cần chọn : Điện áp của tiristo khi ở trạng thái khoá : UTlv = 2 . 380 = 537 V. Điện áp định mức của tiristor cần chọn : Uđm = Kdt. UTlv = 1,8 . 537 = 966 V. Kdt là hệ số dự trữ điện áp, chọn Kdt =1,8. Tiristor mắc vào lƣới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch của tiristor không ảnh hƣởng lớn đến việc chọn tiristor. Từ các thông số trên ta chọn loại tiristor BT151 có các thông số : Uđm = 1000 V ; Iđmmax = 12 A ; Uđk = 1.5 V; Iđk = 0,1 A ; Ih = 20 mA ; Ir = 0,5 mA ; ΔU = 1,75 V ; Tcm = 70 s ; Tmax = 125 C 3.2.2. Chọn phần tử bảo vệ van bán dẫn. Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lƣới bằng mạch R1C1 , để bảo vệ xung điện áp từ lƣới điện mắc song song với tải ở đầu vào 1 mạch R - C nhằm lọc xung. Khi xuất hiện xung điện áp từ đƣờng dây nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần nhƣ nằm lại hoàn toàn trên điện trở dây, chọn R1= (5 20) Ω, C1= 4F Bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van bán dẫn bằng mạch R2C2. Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đống cắt các van dùng mạch R - C mắc song song với các van bán dẫn. Khi có sự chuyển mạch, do có sự phóng
  58. điện từ van ra ngoài nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp P-N. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Chọn R2= (5 30) Ω, C2= (5 4)F. Bảo vệ ngắn mạch, quá dòng điện cho van chọn aptomat làm thiết bị bảo vệ : UđmA > Uđml IđmA > Ihd = 6,33 A Chọn aptomat loại 50AFcủa hãng LG có thông số : Uđm = 600V, Iđm = 10A Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn. Khi van bán dẫn làm việc có dòng chạy qua trên van có sụt áp , do đó tổn hao công suất ΔP. Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van dẫn. mặt khác van bán dẫn chỉ đƣợc làm việc dƣới nhiệt độ cho phép Tcp nếu quá nhiệt độ cho phép thì van bán dẫn sẽ bị phá huỷ. Để van bán dẫn làm việc hoàn toàn không bị chọc thủng vì nhiệt, phải chọn cách tản nhiệt hợp lý Thông số cần có. Tổn thất công suất trên một tiristor: ΔP = ΔU.Ilv = 1,75.3,165 = 5,54 Diện tích bề mặt tản nhiệt:  : là độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trƣờng Chọn nhiệt độ môi trƣờng Tmt = 40 . Nhiệt độ làm việc cho phép của tiristo Tcp = 125 . Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80 . 2 Km là hệ số toả nhiệt bằng đối lƣu và bức xạ. Chọn Km = 8 W/m . . 2 Vậy Stn = 5,54/8.50 = 0,014 m Chọn loại cánh tản nhiệt có 6 cánh loại nhỏ đƣợc làm bằng nhôm.
  59. 3.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. Nguyên lý hoạt động: Về nguyên lý, trong mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn đƣợc mắc vào lƣới điện xoay chiều hoàn toàn giống nhƣ chỉnh lƣu. Trong sơ đồ này ta cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kỳ. Mạch điều khiển có thể sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển chỉnh lƣu một pha cả chu kỳ, với mỗi tiristor có một mạch điều khiển độc lập. Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lƣu cho điện áp xoay chiều, xuất hiện khả năng hai tiristor điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau. Ngoài ra ta còn phải tạo điện áp tựa trùng pha điện áp nguồn cấp, điện áp tựa này phải liên tiếp cả hai nửa chu kỳ. Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi nửa chu kỳ đều có điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính cả điện áp tựa ( tại các điểm t1, t2, t3, t4 ). Ta có đƣợc kết quả là có các xung điều khiển liên tiếp ở mỗi nửa chu kỳ.
  60. Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán chu kỳ điện áp dƣơng anôt. Khâu khuyếch đại có nhiệm vụ khuyếch đại xung từ khâu phân phối xung đƣa đến kích mở tiristor, ngoài ra còn sử dụng biến áp xung nhằm cách ly mạch điều khiển và mạch động lực. Hình 3.4. Dạng điện áp ra của mạch điều khiển.
  61. 3.3.2. Tính toán và phân tích mạch điều khiển Mạch điều khiển đƣợc tính toán xuất phát từ yêu cầu xung mở T Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển Điện áp điêu khiển Tiristor: Uđk = 1,5 V Dòng điện điều khiển Tiristor: Iđk = 0,1 A Thời gian mở xung: tm = 70 Độ rộng xung điều khiển: tx = 70 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = 9 V 3.3.2.1. Tính biến áp xung - Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit HM. Lõi cá dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: = 0,3 T; = 30 A/m, không có khe hở không khí. - Tỷ số biến áp xung: thƣờng m = 2 3, chọn m = 3. - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 1.5V - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.1,5 = 4,5 V - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 =Iđk = 0,1 A - Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I 0,1 I 2 0,003 A 1 m 3 - Độ từ thẩm trung bình tƣơng đối của lõi sắt: B 0,3 3 tb 6 8.10 0. H 1,25.10 .30  1,25.10 6 H Trong đó 0 m là độ từ thẩm của không khí - Thể tích của lõi thép cần có:  . .t .s .U I V Q.l tb 0 x x 1 1  2
  62. 8.10 3.1,25.10 6.167.10 6.0,15.4,5.0,33 0,32 0,413.10 6 m3 0,413cm3 Chọn mạch từ có thể tích V = 1.4 cm3. Với thể tích đó ta có các kích thƣớc mạch từ nhƣ sau: a = 4,5 mm; b = 6mm; Q = 0,27 cm2 =27 mm2; d = 12 mm; D = 21 mm. Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 cm. Hình 3.5. Hình lõi máy biến áp xung. - Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: dB  u1 W1.Q W1.Q dt tx u .t 4,5.70.10 6 W 1 x 39 vòng 1 B.Q 0,3.27.10 6 -Số vòng dây thứ cấp: W 39 W 1 13 vòng 2 m 3 -Tiết diện dây quấn sơ cấp: 3 I1 33,3.10 2 S1 0,0056 mm J1 6 Chọn mật độ dòng điện J = 6 A/mm2. - Tiết diện dây quấn thứ cấp:
  63. I2 0,1 2 s2 0,025mm J2 4 Chọn mật độ dòng điện J = 4A/mm2. -Đƣờng kính dây quấn thứ cấp: 4.s 4.0,025 d 2 0,178mm 2 Chọn dây quấn có đƣờng kính d2 = 0,18mm 3.3.2.2. Tính chọn khâu khuyếch đại xung Chọn các diode D6, D7, D8 loại 2608 có các thông số sau U = 200v; I = 5A Chọn bóng tranzitor công suất loại TIP41 có các thông số sau: Điện áp giữa colector và bazor khi hở mạch emitor UCB0 = 40V Điện áp giữa Emitor và Bazor khi hở mạch Colector: UEB0 = 5V Dòng điện lớn nhất ở Colector có thể chịu đựng: ICmax = 10A Dòng điện làm việc của Colector: IC = 6A Dòng điện làm việc của Bazor: IB= 2A Ta thấy rằng với loại Tiristor đã chọn có công suất điều khiển là khá bé Uđk =1,5V, Iđk = 0,1 A nên dòng colector-bazor của tranzitor khá bé nên chỉ cần phải sử dụng 1 tranzitor. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung là E = 12V ta phải mắc nối tiếp thêm điện trở R8 nối tiếp với cực Emitor của Tranzitor -3 R8 = (E-U)/I1 = (12-4,5)/33,3.10 = 225 Ω Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009, có tham số: Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA Điện áp ngƣợc lớn nhất : UN = 25 V Điện áp để cho diode mở thông : Um = 1 V
  64. 3.3.2.3. Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 3 cổng AND nên ta chọn một IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = 3 9 V, ta chọn Vcc = 12 V. Nhiệt độ làm việc : Điện áp ứng với mức logic „„1‟‟ : 2 4.5 V Dòng điện : <1 mA Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng. Hình 3.6. Sơ đồ chân IC 4081. 3.3.2.4. Tính chọn bộ tạo xung chùm Ba kênh điều khiển chỉ cần 1 khuyếch đại thuật toán, do đó ta chọn IC loại TL081 Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ±18 V, chọn Vcc = ±12 V. Hiệu điện thế giữa hai đàu vào : ±30 V Nhiệt độ làm việc : T = -25 ÷ 85 Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở biến thiên điện áp cho phép :
  65. Hình 3.7. Sơ đồ chân IC TL081. Mạch tạo chùm xung có tần số hay chu kỳ của xung chùm : Ta có : Chọn R7 = R8 = 33 kΩ thì T = 2,2 R9.C2 = 334 s. Vậy R9.C3 =151,8 s. Chọn tụ C3 = 0.1 s có điện áp U = 16 V R9 = 1518 Ω Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R9 là biến thiên trở 2 kΩ. 3.3.2.5. Tầng so sánh Khuyếch đại thuật toán đã chọn loại TL084. Chọn Hình 3.8. Sơ đồ chân của IC TL084.
  66. Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ±12 V thì điện áp vào A2 là UV = 12 V. Dòng điện vào đƣợc hạn chế để Ilv < 1 mA. Do đó ta chọn R4 = R5 kΩ, khi đó dòng vào A2: 3.3.2.6. Tính chọn khâu đồng pha. Khâu đồng bộ bao gồm biến áp đồng pha mắc Δ/Y, mạch so sánh điện qua không và cách ly quang điều chế ra 3 xung vuông tần số 50Hz lệch nhau120 điện đồng pha với điện áp pha. Điện áp tựa đƣợc hình thành do sự nạp của tụ C2. Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa nửa chu kỳ điện áp lƣới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp đƣợc Tr = R3.C2 = 0,005 s. Chọn tụ C1 = 0,1 thì điện trở Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thƣờng chọnlà biến trở lớn hơn 50 kΩ. Chọn tranzito Tr1 loại A564 có các thông số sau: Tranzito loại PNP, làm bằng Si. Điện áp giữa colector và bazơ khi hở mạch emitor : UCBO = 25 V. Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colector :UBEO = 7 V. Dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu đựng : ICmax = 100 mA. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : TCP = 150 Hệ số khuyếch đại : β = 250 Dòng cực đại của bazơ : Điện trở R3 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor Tr1 đƣợc chọn nhƣ sau : Chọn R2 sao cho R2 ≥ ≈ = 30 kΩ
  67. Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V. Điện trở R1 và R2 để hạn chế dòng điện đi vào ghép quang. Thƣờng chọn R1 và R2 sao cho dòng vào ghép quang IV < 1 mA. Do đó Chọn R1 = 10 kΩ Chọn cách ly quang OPTO loại TIP41 3.3.3. Mạch hiển thị điện áp. 3.3.3.1. Đo điện áp và hiển thị điện áp Hình 3.9. Sơ đồ mạch đo điện áp. Sơ đồ trên ta sử dụng các linh kiện sau : IC LM358, điện trở, tụ, điode và biến trở. Hình 3.10. Sơ đồ mạch hiển thị điện áp.
  68. Sơ đồ mạch hiển thị ta sử dụng vi điều khiển AVR loại AMEGA 8 nhận tín hiệu điện áp đƣa, sau đó vi điều khiển xử lý tín hiệu điện đƣa về và đƣa ra màn hình hiển thị LCD. Hình 3.11. Sơ đồ nguồn nuôi mạch hiển thị điện áp. Nguồn nuôi mạch đo điện áp gồm có các IC ổn áp 7812, 7912, 7805, cầu chỉnh lƣu, các tụ có C = 470 μF và 100 μF. 3.4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.4.1. Các thông số động cơ. Mô hình động cơ bằng các phƣơng trình toán học trên hệ toạ độ từ thông rotor. Hệ phƣơng trình mô tả động cơ không đồng bộ đã đƣợc xây dựng trên cơ sở chấp nhận các giả thiết sau: -Hệ phƣơng trình thu đƣợc trên cơ sở hài cơ bản của các đại lƣợng dòng, điện áp, từ thông. Hiện tƣợng móc vòng từ thông giữa stator và rotor chỉ xẩy ra với hài cơ bản. Mô men hài chƣa đƣợc quan tâm. -Hệ chƣa xét tới hiện tƣợng bão hoà vật liệu từ. Tuy nhiên, có thể sử dụng hàm xấp xỉ để bổ xung đặc tính bão hoà một cách rất dễ dàng. -Chƣa xét tới các tổn hao dòng quẩn và tổn hao s¾t từ. -Chƣa xét đến hiện tƣợng dẫn dòng(xuất hiện đối với hài dòng bậc cao, làm tăng giá trị hiệu dụng của điện trở). -Tham số của mô hình là hằng (vd: không phụ thuộc vào nhiệt độ).
  69. -Bỏ qua tổn hao ma sát. -Để xây dựng hệ phƣơng trình mô tả động học của MĐDB, ta có thể xuất phát từ sơ đồ thay thế một pha dƣới đây: U Hình 3.12. Sơ đồ thay thế của máy điện dị bộ Từ sơ đồ thay thế ta viết đƣợc các phƣơng trình mô tả MĐDB. Phƣơng trình điện áp stator d u R i s j s s s dt s Phƣơng trình điện áp rotor d r 0 R r ir j r dt Phƣơng trình từ thông stato s Lsis Lmir Phƣơng trình từ thông roto r Lmis Lrir
  70. trong đó : Rs là điện trở Stator. us là vectơ điện áp Stator. Rr là điện trở Rotor. is là vectơ dòng Stator. Ls là điện cảm tiêu tán Stator. Ls = Lm +Ls là điện cảm Stator. is là vectơ dòng Rotor. Lr là điện cảm tiêu tán Rotor. Lr = Lm +Lr là điện cảm Rotor. s là vectơ từ thông Stator. Lm là hỗ cảm hai cuộn dây. r là vectơ từ thông Rotor. Ở hệ toạ độ dq thì các đại lƣợng không cần thiết nhƣ vectơ dòng rotor ir, vectơ từ thông stator s bị triệt tiêu ra khỏi hệ. Từ phƣơng trình từ thông ta rút ra đƣợc hai vectơ: 1 i r ( r i s Lm ) Lr Lm  s i s Ls ( r i s Lm ) Lr Thay ir và s vào (3.1)và (3.2) và chuyển sang viết dƣới dạng các phần tử vectơ ( is =isd + jisq, us =usd + jusq, s =sd + jsq, ir =ird + jirq, ur =urd + jurq, r =rd + jrq ) ta thu đƣợc cá phƣơng trình dƣới đây với phép biến đổi Laplat di 1 1  1  1  1 sd ' ' isd sisq  rd  rq u sd dt Ts Tr Tr  L s
  71. di 1 1  1  1  1 sq ' ' si sd i sq  rd  rq u sq dt Ts Tr  Tr Ls ' drd 1 1 ' ' isd rd (d )rq dt Tr Tr ' d rq 1 1 ' ' i sq  rq (d ) rd dt Tr Tr 3 Lm m M zp ( r * is )  2 Lr 3 ' m M zp (1 )L s  rdi sq 2 các tham số trong các công thức trên : 2   Lm (LsLr) : hệ số tiêu tán tổng. Tr = Lr Rr : hằng số thời gian roto; s = Ls /Rs : hằng số thời gian stator; ‟ ‟ ‟ r =( rd + jrq ) Lm = rd + jrq ; zp : số cặp cực 1 1 1   T Ts Tr Công suất định mức: 3 KW Điện áp định mức: 380V Dòng điện định mức: 6,33 A Tốc độ định mức: 1450 vòng/phút Số cặp cực zp = 2 Điện trở stator Rs = 0.45 
  72. Điện trở roto Rr = 1.43 . Các hệ số điện cảm: Lm =0.379(H), Ls = Lr = 0.011(H). Mô men quán tính: J = 0.25 (kg.m2). Từ những thông số đã cho ở trên ta có đƣợc các thông số tính toán: -Tính các hệ số điện cảm: Điện cảm Stator: Ls = Lm + Ls =0.379 + 0.011 = 0.39 (H) Điện cảm Roto: Lr = Lm + Lr =0.379 + 0.011 = 0.39 (H) -Tính dòng kích từ định mức: ISXN 2I N 1 cos ISXN 2.12,5 1 0.91 ISXN = 5.3(A) -Tính dòng định mức tạo mô men quay: 2 2 ISYN 2I N ISXN 2 2 ISYN 2.12,5 5,3 ISYN = 16.86(A) -Tính tốc độ góc định mức của roto: z n p N rN 2. fN 60 2.1450 rN 2.3,14. 50 60
  73. rN = 10.5(rad/s) -Tính hằng số roto Tr : Lr 0,39 Tr 0.272 R r 1.43 -Tính hằng số thời gian stator : Ls 0,39 Ts 0.866 R s 0.45 -Tính điện kháng X: X  fN.Ls = 4.3,14.50.0.011 = 6.28 -Tính điện kháng XN : 2U N 2.380 X N X 6.28 52,22 3ISXN 3.5,3 -Tính hệ số tiêu tán tổng : L2 0.379 2  1 m 1 0.056 Ls Lr 0,39.0,39 -TínhT: TsTr 0,056.0,866.0,272 T 0.012 Tr (1 )Ts 0,272 (1 0,056)0,866 3.4.2. Sơ đồ mô phỏng động cơ. Dựa vào những thông số đã nêu trênta áp dụng cho sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ sử dụng bộ điều áp xoay chiều (hình 3.13).
  74. Hình 3.13. Sơ đồ hệ thống. Hình 3.14. Mô hình động cơ không đồng bộ.
  75. Hình 3.15. Matlab mô phỏng logic điều khiển. Hình 3.16. Mô hình hệ thống xây dựng trên Matlab.
  76. Hình 3.18. Đặc tính tốc độ của hệ thống. Hình 3.19. Đặc tính mômen của hệ thống.
  77. Dựa trên các sơ đồ trên đây ta thực hiện mô phỏng, kết quả đƣợc biểu diễn trên hình 3.18 và hình 3.19. Sơ đồ đƣợc biểu diễn trên hệ trục tọa độ theo thời gian. Với các kết quả nghiên cứu bƣớc đầu, hệ thống mong muốn góp phần cung cấp một giải pháp về điều khiển và đánh giá kết quả; để từ đó có thể áp dụng trong các mạch thực tế và công việc thi công, chế tạo.
  78. KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện đề tài, dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn và các thầy cô giáo trong khoa đến nay đã giúp em hoàn thành bản đồ án với đề tài : „„ Xây dựng hệ thống tự động truyền động điện động cơ dị bộ bằng điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha công suất P = 3kW của phòng thí nghiệm”. Trong đề tài này em đã thực hiện đƣợc những vấn đề cơ bản sau: -Khảo sát các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều. -Khảo sát động cơ dị bộ và các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ. -Thực hiện mô phỏng trên Matlab. -Hệ thống hóa phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ và cho thấy đƣợc ƣu nhƣợc điểm của hệ thống. Đồ án đã thực hiện, mặc dù còn nhiều hạn chế, nhƣng trong quá trình thực hiện đề tài đã giúp em tự đánh giá và hiểu kỹ hơn về các kiến thức chuyên môn. Đó cũng là kết quả của nhiều năm học tập cùng với sự dạy dỗ rất tận tình của các thầy cô trong bộ môn điện công nghiệp và dân dụng. Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô và đặc biệt là thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn đã chỉ bảo tận tình để em hoàn thành bài đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn !
  79. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện Nhà xuất bản xây dựng. 2. GS TSKH Thân Ngọc Hoàn, TS Nguyễn Tiến Ban (2007), Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 3. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2009), Điện tử công suất lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 4. Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 5. Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Thuận, Nguyễn Vũ Sơn, Ngọ Văn Toàn, Nguyễn Viết Nguyên, Ngô Lệ Thủy, Đặng Văn Chuyết (2008), Kỹ Thuật Điện Tử, Nhà xuất bản giáo dục. 6. NguyÔn Phïng Quang (2004), Matlab & Simulink, Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ Kü thuËt, Hµ néi.