Đồ án Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung

Lời nói đầu Ngày nay động cơ điện có mặt ở khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt là trong công nghiệp. Khi động cơ điện được đưa vào ứng dụng rộng rãi thì việc thiết lập một hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được sự tối ưu về các chỉ tiều kinh tế, kỹ thuật là một vấn đề quan trọng. Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động. Mặc dù là một lĩnh vực tương đối hẹp nhưng truyền động điện xoay chiều dùng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn luôn luôn có những vấn đề hết sức hấp dẫn và cũng rất phức tạp. Vì vậy, với đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn bằng phương pháp điện trở xung” em không có tham vọng đi sâu vào tất cả các vấn đề của lĩnh vực này. Những kết quả được trình bày trong bản đồ án môn tốt nghiệp này mới chỉ là những kết quả bước đầu. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau: Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Lựa chọn và tính toán mạch động lực. Lựa chọn và tính toán mạch điều khiển. Tổng hợp hệ thống điều khiển hai mạch vòng. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trung Sơn, đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều ý kiến đóng góp quý báu, tới tập thể Bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và các bạn sinh viên đã tạo những điều kiện nghiên cứu tốt nhất trong suốt thời gian thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này. Chương I Tổng quan các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha mạch điện thay thế và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Khái quát về động cơ không đồng bộ ba pha Trong quá trình khai thác sử dụng các tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho nền kinh tế quốc dân nói riêng và các hoạt động của xã hội nói chung, không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong đó, động cơ điện là thiết bị biến đổi từ điện năng thành cơ năng có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng và rất nhiều lĩnh vực khác. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn công suất (transistor công suất, tiristor, triac…) đã tạo điều kiện cho việc sử dụng các động cơ điện có hiệu quả và đưa ra nhiều phương án để lựa chọn những loại động cơ thích hợp. Hiện nay, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ rất cao với mức công suất nhỏ từ vài chục W đến mức công suất trung bình hàng trăm kW. Với những ưu điểm nổi bật của nó như: giá thành hạ (chỉ bằng 1/6 động cơ điện một chiều khi có cùng công suất), làm việc tin cậy chắc chắn, hiệu suất cao… Ngoài ra động cơ không đồng bộ còn dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm thiết bị biến đổi kèm theo, đỡ phức tạp cho hệ thống. Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ không đồng bộ như: Trong công nghiệp thường dùng làm nguồn lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ … Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng trong các trạm bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ điện không đồng bộ cũng chiếm một vị trí rất quan trọng như làm quạt gió, máy bơm nước, tủ lạnh, máy điều hoà nhiệt độ… Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá và tự động hoá thì phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng được cải thiện và mở rộng. Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ đều có những nhược điểm riêng của nó. Đối với động cơ không đồng bộ bên cạnh những ưu điểm kể trên nó có một số nhược điểm sau: Đặc tính điều chỉnh không tốt, cosj thấp, khống chế các quá trình quá độ khó khăn. Riêng đối với động cơ rô to lồng sóc có đặc tính khởi động tương đối xấu. Chính vì những lý do đó nên ứng dụng của nó trong một số điều kiện cụ thể còn có phần bị hạn chế. Nói tóm lại, với những ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ thì việc ứng dụng nó trong những lĩnh vực của cuộc sống ngày càng được phát triển và cải tiến về mọi mặt. Mạch điện thay thế Nói chung, trên stato của động cơ không đồng bộ có dây quấn m1 pha (thường m1 = 3), trên rôto có dây quấn m2 pha (m2 = 3 đối với động cơ rôto dây quấn; còn đối với động cơ rôto lồng sóc thì m2 > 3). Như vậy trong động cơ không đồng bộ có hai mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm ứng từ. Sau khi đã phân tích các quan hệ điện từ ta có được hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ lúc rôto quay như sau: (I) Dựa vào các phương trình cơ bản trên, ta có thể thiết lập được mạch điện thay thế hình T cho động cơ không đồng bộ khi rôto quay như sau: Hình 1. Mạch điện thay thế hình T của động cơ không đồng bộ. Thường để thuận lợi cho tính toán, người ta biến đổi mạch điện thay thế hình T thành mạch điện thay thế hình Г đơn giản hơn: Hình 2. Mạch điện thay thế hình Г của động cơ không đồng bộ. Trong đó: ; gọi là dòng điện không tải lý tưởng, nghĩa là dòng điện không tải ứng với lúc s = 0; gọi là dòng điện thứ cấp của mạch điện hình Г. Thực tế, chỉ lớn hơn 1 một ít và góc phức lại rất nhỏ, nên có thể coi . Như vậy: (II) Do vậy ta có thể có mạch điện thay thế đơn giản hơn nữa: Hình 3. Mạch điện thay thế hình Г đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình Г đơn giản hóa, trị số hiệu dụng của dòng điện rôto đã quy đổi về stato I’2 là: (1) Trong đó: Xnm = x1 + x’2 điện kháng ngắn mạch. Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto: P12=Mđt.w0 Trong đó: Mđt – mômen điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì Mđt = Mcơ, ta ký hiệu: Mđt = Mcơ = M Công suất đó được chia làm hai phần: công suất đưa ra trục động cơ Pcơ và công suất tổn hao trong rôto DP2 nghĩa là: P12= Pcơ+ DP2 hay Mw0 = Mw + DP2 do đó DP2 = M (w0 - w) = Mw0s Mặt khác: nên Thay (1) vào phương trình trên ta có phương trình đặc tính cơ: (2) Kết hợp với phương trình tốc độ w = w0 (1 – s) ta có dạng đường cong đặc tính cơ: Hình 4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ. Điểm cực trị của đặc tính cơ thường được gọi là điểm tới hạn có tọa độ [Mth, sth]: (3) (4) Ta có thể viết phương trình đặc tính cơ dưới dạng khác thuận tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa (2) và (4) rồi biến đổi ta được: Trong đó: . Trong động cơ không đồng bộ thường r1 ằ r’2 mà sth = 0,1 á 0,2 nên ta có thể coi asth ằ 0 khi đó ta có dạng biểu thức Klôx: Đối với các động cơ có công suất lớn thường r1 << xnm nên ta có: (5) các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ khi mắc vào nguồn điện có tần số f1 thì ta có biểu thức của tốc độ: w = w0 (1 – s) (6) Trong đó: tốc độ quay của rôto; w0 tốc độ không tải lý tưởng; s hệ số trượt của động cơ. Do đó ta có: (7) Từ phương trình trên ta thấy, muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ w ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông số: tần số nguồn f1, số đôi cực p và hệ số trượt s. Tương ứng với sự điều chỉnh các thông số trên ta có các phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ: Thay đổi tần số f1 của nguồn cấp. Thay đổi số cực 2p. Điều chỉnh điện áp đặt vào stato. Điều chỉnh điện trở mạch rôto. Dùng sơ đồ nối tầng động cơ không đồng bộ. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số Nguyên lý điều chỉnh Tần số của lưới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay trong máy điện, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng stato ta có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta dùng bộ nguồn biến tần BT để cung cấp cho động cơ. Sơ đồ tổng quát của hệ như sau: Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện có điều chỉnh tần số. Máy điện được chế tạo để hoạt động ở tần số định mức nên khi thay đổi tần số chế độ làm việc của máy điện cũng bị thay đổi vì tần số có ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông của máy điện. Quan hệ này có thể được phân tích nhờ phương trình cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện: Trong đó: Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato; Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato; c Hằng số tỷ lệ; Điện áp đặt vào stato động cơ; f1 Tần số dòng stato. Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato ta có : Từ phương trình trên ta thấy nếu giữ nguyên điện áp U1 (U1 = const), khi tăng tần số f1 thì từ thông trong máy sẽ giảm làm cho mômen của máy điện giảm. Nếu mômen tải không thay đổi hoặc là hàm tăng của tốc độ thì khi đó dòng điện cũng phải tăng để cho mômen cân bằng với mômen tải. Kết quả là động cơ bị quá tải về dòng. Ngược lại khi giảm tần số để giảm tốc độ lại dẫn đến từ thông tăng lên làm tăng mức độ từ hoá lõi thép, tăng tổn hao thép và làm nóng máy điện. Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số thì ta cũng phải thay đổi điện áp một cách tương ứng. Người ta chứng minh được rằng, khi thay đổi tần số, nếu đồng thời điều chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải của động cơ không thay đổi thì chế độ làm việc của động cơ luôn được duy trì ở mức tối ưu giống như khi làm việc ở thông số định mức. Khi đó hiệu suất và cosj của máy trong toàn dải điều chỉnh gần như không đổi. Các đặc tính điều chỉnh Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số không chỉ phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào quy luật thay đổi điện áp, nghĩa là còn phụ thuộc đặc tính của phụ tải. Khi Mc = const Khi Mc ≡ Khi Mc ≡ w2 Hình 6. Các đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng tần số với các loại tải khác nhau. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số có các ưu, nhược điểm sau: Ưu điểm Điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của động cơ. Dải điều chỉnh tốc độ D lớn. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ dùng biến tần mắc trực tiếp từ lưới điện, do đó không cần các thiết bị biến đổi, nó sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường. Hệ thống điều chỉnh tốc độ dùng biến tần có thể hãm tái sinh cho nên nguồn xoay chiều này có thể làm việc ở cả 4 góc tọa độ. Nhược điểm Bộ biến tần có giá thành đắt do sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn và mạch điều khiển điện tử. Phạm vi ứng dụng Hệ thống điều khiển tốc độ dùng biến tần có nhiều ưu điểm, song phạm vi ứng dụng của nó phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh tế. Do vậy, trong thực tế biến tần thường được sử dụng khi có nhiều động cơ cùng thay đổi tốc độ theo một quy luật chung. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ít được sử dụng cùng với biến tần do biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc một cách dễ dàng. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực Khi thay đổi số đôi cực p của máy điện không đồng bộ, tốc độ từ trường quay thay đổi và do đó tốc độ động cơ rôto cũng biến đổi theo. Quan hệ đó thể hiện trong biểu thức tốc độ sau: Động cơ đa tốc thường có rôto lồng sóc, vì rôto này có khả năng tự biến đổi số cực rôto theo stato. Do đó, số cực, điện trở và điện kháng rôto tự thay đổi nhịp nhàng với stato. Đối vơi động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, phương pháp này hiếm khi được sử dụng vì khi thay đổi số cực stato ta đồng thời phải thay đổi số cực rôto, làm cho cấu trúc động cơ rất phức tạp. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh trở – kháng mạch stato Nguyên lý điều chỉnh Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ: Ta thấy, có thể làm biến dạng đặc tính cơ bằng cách nối vào mạch stato một điện trở phụ hoặc một điện kháng phụ. Trong thực tế, việc dùng điện trở phụ có hiệu quả rất kém do có tổn hao trên bản thân nó, nên ít được sử dụng. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ ba pha khi dùng kháng trong mạch stato như sau: Hình 7. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ khi dùng kháng trong mạch trong mạch stato (xf1 > xf2). Từ mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hóa của động cơ không đồng bộ ta thấy, khi nối kháng vào mạch stato, dòng điện stato và rôto đều giảm xuống, do đó mômen M của động cơ giảm xuống và trở nên nhỏ hơn mômen tải Mc nên hệ sẽ giảm tốc. Kết quả là động cơ sẽ chuyển sang làm việc xác lập ở tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản. Từ phương trình (3) và (4) ta thấy, khi mắc thêm cuộn kháng vào stato, khi đó điện kháng ngắn mạch xnm tăng và do đó, độ trượt tới hạn sthvà mômen tới hạn Mthđều giảm như trên hình 7. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh cuộn kháng ở mạch stato có những ưu, nhược điểm sau: Ưu điểm Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp. Nhược điểm Hệ thống không điều chỉnh chỉnh triệt để (không điều chỉnh được tốc độ không tải lý tưởng w0. Càng điều chỉnh sâu, mômen tới hạn và độ trượt tới hạn càng nhỏ, do đó khả năng mang tải càng kém và độ ổn định tĩnh cũng như động của hệ càng thấp. Độ chính xác đặt tốc độ kém do độ cứng của đặc tính cơ điều chỉnh khá nhỏ. Các chỉ tiêu năng lượng đều xấu, hiệu suất giảm rất nhanh khi giảm tốc độ và hệ số công suất cosj thấp do nối thêm kháng. Phạm vi ứng dụng Phương pháp này có thể ứng dụng cho cả động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và rôto dây quấn nó có nhiều nhược điểm do đó ít được dùng trong thực tế. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato Nguyên lý điều chỉnh Để điều chỉnh điện áp. người ta dùng bộ nguồn BĐ có điện áp ra thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển Uđk với sơ đồ nguyên lý hình 8. Hình 8. Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động điện không đồng bộ có điều chỉnh điện áp nguồn. Khi thay đổi điện áp lưới, ví dụ khi giảm xuống còn x lần (x < 1) điện áp định mức (U1 = xUđm) thì mômen sẽ giảm xuống còn x2 lần M = x2Mđm. Nếu mômen tải không đổi thì tốc độ giảm xuống còn hệ số trượt tăng lên. Theo công thức về mômen M = cmI’2f, trong đó cm là hằng số, thì khi điện áp lưới U1 = xUđm, thì sức điện động E và từ thông f cùng bằng x lần giá trị ban đầu và I’2 tăng lên 1/x lần. Vì hệ số trượt: nên hệ số trượt s sẽ bằng 1/x2 lần hệ số trượt cũ và tốc độ động cơ điện ở điện áp sẽ là: Khi điện áp khác với giá trị định mức, mômen tới hạn Mth sẽ thay đổi đổi tỷ lệ với bình phương điện áp, còn độ trượt tới hạn sth thì giữ nguyên, nghĩa là: Đặc tính điều chỉnh có dạng như sau: Hình 9. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp stato, U12 > U11. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Ưu điểm Phương pháp này cho phép tự động hóa hệ thống và cải thiện các đặc tính điều chỉnh. Nhược điểm Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp có nhược điểm là làm việc không ổn định do hệ thống nhạy với sự thay đổi của điện áp. Phạm vi ứng dụng Phương pháp này thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto Nguyên lý điều chỉnh Khi thay đổi điện trở mạch rôto (bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf mắc vào rôto), dòng điện stato I1 và do đó mômen của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến tốc độ của động cơ cũng thay đổi. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh bằng phương pháp này như sau: Hình 10. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng điện trở. Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là Mc và tốc độ là w1, điểm làm việc là điểm a trên đồ thị hình 10. Để điều chỉnh tốc độ ta đóng một điện trở Rf vào cả ba pha rôto, khi đó điện trở mỗi pha rôto là . Điện trở rôto tăng, từ sơ đồ mạch điện thay thế hình G đơn giản hóa ta thấy dòng điện stato I1 giảm đột biến và do đó mômen của động cơ cũng giảm. Do quán tính của động cơ nên tốc độ không thay đổi đột ngột. Điểm làm việc chuyển từ điểm a đến điểm b. Tại thời điểm đó, M < Mc nên hệ giảm tốc. Mặt khác, theo quan hệ (7), vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động cảm ứng trong rôto E2 tăng lên. Do đó, dòng điện ở rôto và mômen động cơ lại tăng cho đến khi M = Mc thì hệ xác lập nhưng với tốc độ mới w2 < w1. Trạng thái này ứng với điểm a’ trên đặc tính điều chỉnh. Từ phương trình (3) và (4): (3) (4) Ta thấy, khi tăng điện trở rôto thì độ trượt giới hạn sth tăng và mômen tới hạn Mth không đổi. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Ưu điểm Mạch động lực và điều khiển đơn giản làm cho các thao tác điều khiển dễ dàng, chi phí vận hành và sửa chữa thấp. Hạn chế dòng điện mở máy do đó làm tăng khả năng mở máy cho động cơ. Tự động hóa điều chỉnh tốc độ dễ dàng. Nhược điểm Dải điều chỉnh tốc độ bé. Tổn hao năng lượng lớn do tỏa nhiệt trên điện trở Rf. Phạm vi ứng dụng Từ các ưu, nhược điểm trên, đây là một phương pháp được sử dụng rộng rãi, mặc dù đây không phải là phương pháp kinh tế nhất. Nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rôto dây quấn. Phương pháp này được sử dụng trong các hệ thống có các động cơ không đồng bộ làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại, và thích hợp với các hệ thống yêu cầu tốc độ không cao như cần trục, cầu trục… Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng sơ đồ nối tầng Nguyên lý điều chỉnh Điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ trong các sơ đồ nối tầng được thực hiện bằng cách đưa vào rôto của nó một sức điện động Ef. Sức điện động phụ này có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với sức điện động cảm ứng trong mạch rôto E2 và có tần số bằng tần số rôto. Sức điện động phụ có thể là xoay chiều hoặc một chiều như sơ đồ nguyên lý sau: Hình 11. Sơ đồ nguyên lý khi đưa sức điện động phụ vào mạch rôto của động cơ không đồng bộ để điều chỉnh tốc độ của nó trong sơ đồ nối tầng. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ trong các sơ đồ này như sau: Giả thiết Đ làm việc ở trạng thái động cơ nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng từ lưới và sinh năng lượng trượt ở mạch rôto . Khi đưa Ef vào, dòng điện rôto khi đó (8) Ta giả thiết Mc = const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính ứng với một giá trị Ef nào đó. Nếu tăng Ef lên thì dòng I2 giảm, mômen điện từ của động cơ giảm và có giá trị nhỏ hơn mômen Mc, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi tốc độ giảm, độ trượt tăng làm cho E2 = E2nms tăng lên. Kết quả là dòng điện rôto I2 và mômen điện từ tăng lên. Cho đến khi mômen của thiết bị nối tầng cân bằng với mômen Mc thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc với tốc độ nhỏ hơn trước. Khi | E2 | = | Ef |, I2 = 0 động cơ có tốc độ không tải lý tưởng w0lt. Khi Ef = 0 động cơ làm việc trên đặc tính gần đặc tính tự nhiên. Các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng Ưu điểm Chỉ tiêu năng lượng cao do tận dụng được công suất trượt ở mạch rôto. Nhược điểm Mạch điều khiển và mạch động lực phức tạp dẫn đến chi phí vận hành và sửa chữa lớn. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống không lớn lắm và mômen của động cơ giảm khi tốc độ giảm xuống. Phạm vi ứng dụng Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thường áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn. Phương pháp này nên áp dụng cho các truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít vì thường ta khởi động bằng phương pháp khác cho đến khi tốc độ đến vùng làm việc thì mới sử dụng phương pháp này để điều chỉnh tốc độ. Kết luận: Từ việc phân tích các ưu, nhược điểm của các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ với động cơ trong yêu cầu của đồ án là động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng điện trở xung rôto là thích hợp nhất. Chương II Chọn và tính toán mạch động lực các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn Pđm = 7,5 KW; nđm = 695 v/ph; cosjđm = 0,74; I1đm = 20,6 A; E20 = 254 V; r1 = 1,04 W; x1 = 0,833 W; r2 = 0,462 W; x2 = 0,611W; Phạm vi điều chỉnh D = 4 : 1; Mômen quán tính của động cơ Jđ/c = 0,837 Kgm2. Động cơ sử dụng nguồn điện ba pha có điện áp U1 = 380 V; tần số f1 = 50 Hz. Hiệu suất của động cơ: Hệ số trượt của động cơ: Do số đôi cực p là số nguyên, với các giá trị: p = 3 ị s = 0,305; p = 4 ị s = 0,073; p = 5 ị s = - 0,158; Như vậy, ta thấy khi p = 4 và khi đó s = 0,073 là hợp lý. Sức điện động của rôto khi quay ở tốc độ định mức: Từ sơ đồ mạch điện thay thế hình 3, trị số hiệu dụng của dòng điện trong dây quấn rôto đã quy đổi về stato: (*) Tỷ số biến đổi điện áp: Trong đó: Ta lấy E1 = 0,95U1. Trong máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, tỷ số biến đổi dòng điện bằng tỷ số biến đổi điện áp: r1= 1,04 W; r’2 = k.r2 = ke2.r2 = 1,422.0,462 r’2 = 0,932 W; xnm = x1 + x’2 = x1 + ke2.x2 = 0,833 + 1,422.0,611 xnm = 2,065 W; Uf = 220 V. Thay các giá trị trên vào (*) ta có: Dòng điện định mức trong dây quấn rôto: lựa chọn và tính toán mạch động lực Động cơ trong yêu cầu của bài toán thiết kế là loại động cơ ba pha sử dụng điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh xung điện trở mạch rôto. Do vậy, động cơ được mắc trực tiếp vào lưới điện ba pha có điện áp U1 = 380 V với tần số f1 = 50 Hz. Ta điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở phụ mắc vào mạch rôto. Hệ thống điện trở phụ bao gồm ba biến trở Rf mắc vào ba pha của dây quấn rôto thông qua hệ thống vành trượt. Sử dụng biến trở trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ là một phương pháp đơn giản nhưng có nhiều nhược điểm. Phần lớn các nhược điểm đều liên quan đến dạng đặc tính cơ mềm và dùng điện trở nhiều cấp trong mạch lực. Hình 12. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ điều chỉnh xung điện trở rôto. Trong sơ đồ trên: AP - áp tô mat; K - công tắc tơ có dập hồ quang; RN - rơle nhiệt; Rf - điện trở điều chỉnh mạch rôto. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto Hình 13. Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh xung điện trở và điện trở xung Rx. Để khắc phục một số nhược điểm quan trọng trên và mở ra khả năng tự động hóa hệ thống, người ta dùng phương pháp điều chỉnh xung điện trở. Đây là một phương pháp phát triển của phương pháp biến trở. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này như sau: Sơ đồ này chỉ khác sơ đồ hình 10 ở chỗ sử dụng “điện trở xung” Rx. Để dùng Rx ta dùng một điện trở có giá trị không đổi R và một khóa K đóng cắt theo chu kỳ. Nếu khóa K là lý tưởng, nghĩa là khóa có điện trở bản thân khi đóng là Kkh= 0 và khi cắt là Rkh= Ơ, thì khi K đóng Rx= 0, và khi K cắt Rx=R. Như vậy, điện trở phụ trong mạch rôto thay đổi theo chu kỳ từ 0 đến R và trong mạch rôto từ r2 đến r2+R. Điện trở điều chỉnh trong trường hợp này sẽ có một giá trị tương đương nằm giữa 0 và R. Nó phụ thuộc vào tương quan giữa các thời gian đóng tđ và thời gian cắt tc của khóa. Giá trị đó quyết định độ cứng của đặc tính cơ biến trở và trị số tốc độ của truyền động điện. Trong thực tế, việc dùng cả ba điện trở xung ở trong mạch rôto làm cho mạch điều khiển phức tạp và khó điều chỉnh. Vì vậy, ta thường dùng một điện trở xung Rx và một bộ chỉnh lưu có sơ đồ như sau: Hình 14. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở rôto kết hợp với bộ chỉnh lưu. Đ Bộ chỉnh lưu CL không cần yêu cầu cao về điện áp, do đó ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 15. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở rôto. Đ Để dựng đặc tính cơ, ta phải tính đổi mạch một chiều với điện trở tương đương Rtđ thành mạch xoay chiều ba pha với điện trở Rf trong mỗi pha, nghĩa là ta phải quy đổi mạch điện hình 13 thành dạng mạch điện hình 10. Cơ sở để tính đổi là nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở của hai trường hợp phải bằng nhau. Đối với sơ đồ hình 13, tại mỗi thời điểm dòng điện Iđ đều chạy qua hai pha rôto và mạch điện một chiều. Do đó: (8) Trong đó: Kcl- hệ số biến đổi phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu, đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển . Đối với sơ đồ hình 10 ta có: (9) Nhiệt lượng tỏa ra trong hai trường hợp là như nhau, do đó, cân bằng phương trình (8) và (9) ta có: nên: (10) Điều đó có nghĩa là, nếu nối trong mạch một chiều của hình 13 một điện trở Rtđ thì đặc tính cơ của động cơ sẽ giống như khi dùng mạch biến trở hình 10 với điện trở phụ mỗi pha là Rf = 0,5Rtđ. Điện trở tương đương Ta có thể xác định điện trở tương đương Rtđ khi điều chỉnh xung một cách gần đúng trên nguyên tắc đẳng trị nhiệt. Khi khóa K đóng, điện trở mạch vòng qua hai pha rôto còn là 2r2 nên dòng điện rôto tăng, còn khi khóa cắt, giá trị là