TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN CƠNG NGHIỆP ªªªªª ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 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 (KĐB) loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm M động điện Động không đồng ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp đời sống hàng ngày… có nhiều ưu điểm so với loại động khác Trong công nghiệp, động KĐB pha loại động chiếm tỷ lệ lớn Dải công suất động rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW Đó động KĐB có ưu điểm: kết cấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy từ lưới điện cơng nghiệp Tuy nhiên, hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dung động KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động chiều Đó việc điều chỉnh tốc độ động KĐB gặp nhiều khó khăn dải điều chỉnh hẹp Chỉ có linh kiện bán dẫn cơng suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển với kỹ thuật điện tử tin học hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động KĐB khai thác mạnh Hiện có nhiều hệ thống điều tốc động KĐB, chằng hạn như: điều tốc giảm điện áp, điều tốc ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong hệ thống điều tốc biến tần có hiệu suất cao nhất, chất lượng tốt nhất, sử dụng rộng rãi phương hướng phát triển chủ yếu điều tốc xoay chiều Trong giới hạn đồ án đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động KĐB biến tần ª Đồ án Truyền động điện ª B GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ I Cấu tạo: Hình 1: Cấu tạo ĐCKĐB a)Phần tĩnh (Stato) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi sắt dây quấn * Vỏ máy ª Đồ án Truyền động điện ª Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy làm gang Đối với máy có cơng suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ khác *Lõi sắt Lõi sắt phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt làm thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngồi lõi sắt nhỏ 90 mm dùng trịn ép lại Khi đường kính ngồi lớn dùng hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại *Dây quấn Dây quấn stator đặt vào rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn stato gồm cuộn dây đặt lệch 120o điện b)Phần quay (roto) Rotor có loại : rotor kiểu dây quấn rotor kiểu lồng sóc Rotor dây quấn : Rơto có dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn pha rơto thường đấu hình cịn ba đầu nối vào vành trượt thường làm đồng đặt cố định đầu trục thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngồi Đặc điểm thơng qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc độ cải thiện hệ số công suất máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor nối ngắn mạch Nhược điểm so với động rotor lồng sóc giá thành cao, khó sử dụng môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn khác với dây quấn stator Trong rãnh lõi sắt rotor đặt vào dẫn đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt ª Đồ án Truyền động điện ª nối tắt lại hai đầu hai vành ngắn mạch đồng hay nhôm làm thành lồng mà người ta quen gọi lồng sóc c)Khe hở khơng khí Vì rotor khối tròn nên khe hở Khe hở máy điện khơng đồng nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm) Để hạn chế dịng điện từ hóa lấy từ lưới làm cho hệ số công suất máy cao II Nguyên lý làm việc: - Như biết vât lý, dòng điện xoay chiều pha vào ba cuộn dây đặt lệch 1200 khơng gian từ trường tổng qua cuộn dây từ trường quay Nếu từ trường quay có đặt dẫn điện từ trường quay quét qua dẫn làm xuất sức điện điện cảm ứng dẫn Trong động KĐB phía roto ( phần cảm ứng sức điện động ) nối ngắn mạch làm xuất dòng điện ( ngắn mạch ) dây quấn roto, dịng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào dịng cảm ứng lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái tạo momen làm quay roto theo chiều quay từ trường quay - Tốc độ quay roto luôn nhỏ tốc độ quay từ trường Nếu roto quay với tốc độ tốc độ từ trường quay từ trường không quét qua dẫn nên khơng có dịng điện cảm ứng nên momen quay khơng cịn Khi đó, momen cản roto quay chậm từ trường quay dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất lại có momen quay làm roto tiếp tục quay với tốc độ nhỏ từ trường quay Động hoạt động với nguyên tắc nên gọi động khơng đồng ª Đồ án Truyền động điện ª - Tốc độ quay từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số đôi cực lớn tốc độ từ trường quay giảm Với cuộn cảm tạo từ trường có p đơi cực tốc độ quay giảm p lần Hay f1 (vòng/s) p n0 = 60 f1 (vòng/phút) p ω0 = 2p n0 2p f = (rad/s) p p (1) Hoặc no, ωo tốc độ từ trường quay, tốc độ lớn mà rotor đạt khơng có lực cản Tốc độ gọi tốc độ đồng hay tốc độ không tải lý tưởng Tần số lưới điện Việt Nam 50Hz p số nguyên nên tốc độ đồng thường 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500…(vịng/phút) Tốc độ khơng đồng rotor n2 nhỏ tốc độ đồng no sai lệch đánh giá qua đại lượng gọi hệ số trượt s: s= n0 - n w - w w = =1- n0 w0 w0 (2) chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị £ s £ Dòng điện cảm ứng cuộn dây rotor dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ tương đối rotor từ trường quay: f2 = p.(n0 - n ) = s.f1 (Hz) 60 (3) III Đặc tính ĐCKĐB: 1) Phương trình đặc tính cơ: ª Đồ án Truyền động điện ª Khi coi pha động đối xứng, cấp nguồn nguồn xoay chiều hình sin pha đối xứng mạch từ động không bão hịa xem xét động qua sơ đồ thay pha Đó sơ đồ điện pha phía stator với đại lượng điện mạch rotor qui đổi stator: Hình 2: Sơ đồ thay pha ĐCKĐB Khi cuộn dây stator cấp với điện áp định mức U1ph.đm pha mà rotor khơng quay pha cuộn dây rotor xuất sức điện động cảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý máy biến áp Hệ số qui đổi sức điện động là: KE = E1 ph.đm E ph.đm Từ ta có hệ số qui đổi dòng điện: KI = KE Và hệ số qui đổi trở kháng: KR = KX = KE = KE2 KI Với hệ số qui đổi này, đại lượng rotor qui đổi phía stator theo cách sau: - Dịng điện : I’2 = KI.I2 ª Đồ án Truyền động điện ª - Điện kháng : X’2 = KX.X2 - Điện trở : R’2 = KR.R2 Các đại lượng khác sơ đồ thay hình 2: I0 – dịng từ hóa động Rm, Xm – điện trở điện kháng mạch từ hóa I1 – dịng điện cuộn dây stator R1,X1 – điện trở điện kháng cuộn dây stator Dịng điện rotor qui đổi stator tính từ sơ đồ thay thế: U ph I’2 = R' ổ ỗ R1 + ữ + ( X + X ' ) s ø è (4) Khi động hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang rotor thành công suất Pcơ đưa trục động cơng suất nhiệt ∆P2 đốt nóng cuộn dây: P12 = Pcơ + ∆P2 Nếu bở qua tổn thất phụ xem momen điện từ Mđt động momen Mcơ: Mđt = Mcơ = M Từ đó: P12 = M.ω0 = Mω + ∆P2 Suy : M= DP2 DP2 = w - w s.w (5) Mặt khác, công suất nhiệt cuộn dây pha là: 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 éæ ự R' s.w ờỗ R1 + ÷ + X nm ú s ø êè ú ë û (6) Trong Xnm = X1 + X’2 điện kháng ngắn mạch Phương trình biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi phương trình đặc tính ĐCKĐB pha Với giá trị khác s (0 £ s £ 1) phương trình đặc tính cho ta giá trị khác M Đường biểu diễn M = f(s) gọi đường đặc tính cơ: Hình 3: Đường đặc tính ĐCKĐB Đường đặc tính có điểm cực trị K gọi điểm tới hạn Tại đó: dM =0 ds ª Đồ án Truyền động điện ª Giải phương trình ta có: sth = ± R' 2 R12 + X nm (7) Thay vào phương trình đặc tính ta có: Mth = ± 3U 12ph 2.w ( R1 ± R12 + X nm ) (8) Vì xem xét chế động động nên giá trị Mth, sth đặc tính ứng với dấu + 2) Ảnh hưởng việc thay đổi tần số nguồn cung cấp đến đặc tính cơ: Phương trình đặc tính cho ta thấy đặc tính ĐCKĐB chịu ảnh hưởng nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2, điện trở điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p tần số lưới Ở đề cập đến ảnh hưởng tần số lưới đến đặc tính động KĐB pha Khi f thay đổi thơng số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn, momen tới hạn Khi thay đổi f1 tốc đồng ω0 thay đổi, đồng thời X1, X2 bị thay đổi (X = p f L) kéo theo thay đổi độ trượt tới hạn sth momen tới hạn Mth Ta nhận thấy thay đổi tần số f1, bỏ qua điện trở dây quấn stator R1 = Mth là: Mth = Mặt khác: 3U 12ph 2.w X nm ω0 = 2p f p Xnm = X1 + X’2 = ω1L1 + ω1L’2 = ω1.(L1 + L’2) = ω1.Lnm ª Đồ án Truyền động điện ª Thay vào phương trình Mth (8) ta có: Mth = Đặt: Suy ra: A= Mth = A 3U 12ph p 2(2p )2 f12 Lnm 3p2 = const 2(2p )2 Lnm U 12ph f12 (9) Biểu thức cho ta thấy tăng tần số nguồn mà giữ nguyên U1ph momen tới hạn giảm nhiều Do thay đổi tần số nguồn đồng thời phải thay đổi U1ph theo qui luật định đảm bảo làm việc tương ứng động với nhiều loại tải khác ( hình 4) Nghĩa tỷ số momen cực đại momen phụ tải dạng đặc tính số: λ = M th = const Mc (10) từ biểu thức Mth (9) ta có: l M = A U 12ph f 12 M c =A U 12đm f 12 M cdm đm Với Mc đặc tính tải, biểu thức thực nghiệm mang tính tổng quát Mc sau: æ n Mc = Mco + ( Mcm Mco) ỗ ỗn ố m ữ ữ ø (11) Khi xem Mco ≈ biểu thức là: x Mc = Mcđm ỉ n = Mcm ổ f1 ỗ ữ ỗ ữ ỗ ữ ỗ ữ ố nm ứ ố f 1m ứ 10 x x ª Đồ án Truyền động điện ª Thay vo ta cú: ổ U ph ỗ ỗU ố 1m ổ f ữ =ỗ ữ ỗf ữ ữ ố 1m ứ ứ 2+ k => U ph f k 1+ = U 1đm f k 1đm 1+ = const (12) Với: Mc momen cản tải trục quay tốc độ n Mco momen cản tải trục quay n = Mcđm momen cản cảu tải trục quay n = nđm x số mũ đặc trưng mô tả đặc tính tải khác Hình 4: Đặc tính dạng phụ tải Như muốn điều chỉnh tốc độ động không đồng cách thay đổi tần số ta phải có nguồn xoay chiều có khả điều chỉnh tần số điện áp đồng thời theo qui luật sau: U1 = const , ứng với Mc = Mcđm = const ( x = 0) hệ thống nâng hạ, f1 thang máy… U f3 = const , ứng với Mc = a + bn ( x= 1) máy phát chiều… 11 ª Đồ án Truyền động điện ª U1 = const , ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn ( x = 2) quạt, máy f1 bơm… U1 f1 = const , ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn ( x = -1) máy -1 dây, cắt kim loại… Hình 5,6,7,8: Các dạng đặc tính ĐCKĐB thay đổi tần số theo qui luật điều chỉnh U f III Các biến tần: Các biến tần (BBT) thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số sang tần số khác, với BBT dùng cho điều khiển tốc độ động xoay chiều, 12 ª Đồ án Truyền động điện ª ngồi thay đổi tần số, chúng cịn thay đổi điện áp khác với điện áp lưới cấp vào BBT Các BBT chia làm loại chính: - BBT trực tiếp: loại biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành f2 không qua khâu chỉnh lưu nên hiệu suất cao loại gián Biến tần trực tiếp thường dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho động roto lồng sóc, động roto dây quấn cung cấp nguồn, động đồng bộ…Tuy nhiên biến tần trực tiếp có nhược điểm như: hệ số công suất thấp, tần số điều chỉnh bị giới hạn tần số nguồn cung cấp… - BBT gián tiếp: với BBT loại này, dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 chỉnh lưu thành dòng điện chiều ( f = ), lọc lại biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số f2 Đây loại biến tần dùng phổ biến tần số f2 hồn tồn không phụ thuộc vào tần số vào mà phụ thuộc vào mạch điều khiển BBT gián tiếp cần có khâu chỉnh lưu trung gian Tùy thuộc tính chất khâu chỉnh lưu dạng tín hiệu đầu mà BBT gián tiếp lại chia BBT nguồn áp hay BBT nguồn dòng + BBT nguồn dòng thường dùng cho truyền động đảo chiều cơng suất lớn, có nguồn cấp chiều nguồn dòng, điện trở nguồn lớn Dạng dòng điện nguồn dòng xác định dạng dòng điện tải, dạng áp tải phụ thuộc thơng số tải Mạch điện chiều thường mắc nối tiếp với cuộn kháng có độ tự cảm lớn + BBT nguồn áp thường dùng cho truyền động nhiều động cơ, có nguồn cấp chiều nguồn áp, điện trở nhỏ Dạng điện áp nguồn xác định dạng điện áp tải, cịn dạng dịng điện tải phụ thuộc vào thông số tải Mạch điện chiều thường mắc song song với tụ điện có điện dung lớn IV BBT gián tiếp ba pha nguồn áp: 13 ª Đồ án Truyền động điện ª _Sơ đồ nguyên lý: Hình 9: BBT gián tiếp pha nguồn áp Nguồn điện xoay chiều pha tần số f1 qua mạch chỉnh lưu cầu trở thành điện áp chiều san phẳng cuộn kháng K, lọc tụ C cấp cho mạch nghịch lưu điện áp biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha tần số f2 ĐCKĐB Trong mạch nghịch lưu ngồi thyristor cịn sử dụng diode cách ly D1àD6 nhằm cách ly tụ điện chuyển mạch dây quấn pha ĐCKĐB để chúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến trình chuyển mạch Tần số điện áp f2 độ lớn điện áp định mạch nghịch lưu điện áp pha cầu Các trình điện từ mạch nghịch lưu điện áp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc tính tải, cách đấu tải, nguồn cấp nguyên tắc 14 ª Đồ án Truyền động điện ª điều khiển Phương pháp điều khiển thường dùng điều khiển góc dẫn thyristor: λ = 180o λ = 120o 1) Trường hợp λ = 180o Theo biểu đồ điều khiển hình 10 thyristor ( van) mở từ T1 đến T6 với góc lệch van 60o Như thời điểm có van dẫn Để xác định dạng điện áp ta cần phải biết kiểu đấu dây quấn stator ĐCKĐB _ Kiểu đấu sao: cách xác định điện áp tải khoảng 60o (vì 60o lại có chuyển mạch) Từ ta có sơ đồ thay hình 10b Nhìn chung sơ đồ có dạng pha mắc nối tiếp với pha đấu song song Do đó: UA = UZA = (1/3)U = UC = UZC ; 15 UB = UZB = (-2/3)U ª Đồ án Truyền động điện ª (a) (b) Hình 10: Dạng sóng điện áp trường hợp tải đấu sao, góc dẫn λ = 180o Theo dạng điện áp pha ta có trị hiệu dụng nó: 2p Upha = ị U dq = 2p 2 p /3 2p / ù 1é 2U ỉU ỉ2 ê2 ị ç ÷ dq + ị ç U ÷ dq ú = pê è3ø ø ú p /3è ë û (13) _ Kiểu đấu tam giác: cách tìm sơ đồ thay cho khoảng 60o kiểu đấu sao, ta thấy pha đấu thẳng vào nguồn bị 16 ª Đồ án Truyền động điện ª nối ngắn mạch hình 11 Do điện áp pha có dạng khác đi, dựa vào đồ thị UA ta xác định điện áp hiệu dụng: Upha = 2p 2p ò (U ) dq = p 2p / ò (U ) dq = U (14) Hình 11: Sơ đồ thay chuyển mạch nghịch lưu áp ba pha kiểu đấu tam giác 2) Trường hợp λ = 120o : theo biểu đồ dẫn thyristor hình 12, thời điểm có van dẫn Để xem xét ta thực xét trường hợp 180o động đấu hay đấu tam giác Hình 12: Biểu đồ điều khiển thyristor với góc 120o V Ví dụ ứng dụng: 17 dẫn λ = ª Đồ án Truyền động điện ª ĐCKĐB pha rotor lồng sóc có 2p = 4, điện áp pha định mức Uđm = 240V, tần số định mức 50Hz, điều khiển biến tần gián tiếp nguồn áp theo quy luật U/f = const Hãy xác định điện áp tần số ngõ biến tần động làm việc với tốc độ no = 900 vòng/phút ; 1200 vòng/phút; 1800 vòng/phút Giải Động điều khiển với quy luật U/f = const nên ta có: U 240 = = 4,8 ® U = 4,8 f f 50 Mặt khác tốc độ đồng bộ: n0 = 60 f n p ® f0 = p 60 Ứng với giá trị khác n0 ta có tần số điện áp làm việc tương ứng động cơ: n0 = 900(vịng / phút ) ® f = 900.2 = 30( Hz ) ® U = 4,8 f = 4,8.30 = 144(V ) 60 n0 = 1200(vòng / phút ) ® f = 1200.2 = 40( Hz ) ® U = 4,8 f = 4,8.40 = 192(V ) 60 n0 = 1800(vịng / phút ) ® f = 1350.2 = 45( Hz ) ® U = 4,8 f = 4,8.45 = 216(V ) 60 VI Đánh giá nhận xét: * Ưu điểm: _ Cách tiếp cận vấn đề đơn giản, dễ hiểu, hình ảnh minh họa rõ ràng * Nhược điểm: _ Đề tài đề cập đến vấn đề phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua biến tần 18 ª Đồ án Truyền động điện ª _ Chưa thật thực tế vấn đề điều tốc xoay chiều biến tần gián tiếp nguồn áp chỉnh lưu có điều khiển hiệu suất thấp nghịch lưu điện áp xoay chiều dùng thyristor chưa đáp ứng với yêu cầu hoạt động tần số cao _ Ví dụ ứng dụng chưa phong phú * Nhận xét đề tài: _ Điều tốc biến tần vấn đề phức tạp vấn đề thiết yếu phải tìm hiều mà khoa học kỹ thuật lĩnh vực điện-điện tử phát triền với đời ngày hồn thiện biến đổi điện tử cơng suất thúc đẩy lĩnh vực truyền động điều tốc biến tần ngày xác, đáp ứng nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo u cầu cơng nghệ sản xuất Tìm hiểu đề tài thật hữu ích cho cơng việc thực tiễn sau 19 ... phát triển chủ yếu điều tốc xoay chiều Trong giới hạn đồ án đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động KĐB biến tần ª Đồ án Truyền động điện ª B GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ I Cấu tạo: Hình... từ lưới điện cơng nghiệp Tuy nhiên, hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dung động KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động chiều Đó việc điều chỉnh tốc độ động KĐB gặp nhiều khó khăn dải điều chỉnh hẹp...ª Đồ án Truyền động điện ª A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI áy điện không đồng (KĐB) loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm M động điện Động không đồng ngày sử dụng rộng rãi công