Đồ án Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã trở thành nòng cốt của sự tiến bộ xã hội, đặc biệt quan trọng là sự tiến bộ về kinh tế, nhờ vậy xã hội được thay đổi từng ngày, từng giờ. Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ Tự động hóa (TĐH) đã mang lại rất nhiều lợi ích cho con người như: tăng năng suất, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy Tự Động Hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ lệ rất lớn so với 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 lưới điện, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều. Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, thyristor …thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn. Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 2 thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai. Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS Đoàn Quang Vinh đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài này. Trong quá nghiên cứu, do thời gian và trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, kính mong sự giúp đỡ của các thầy cô để đề tài này được hoàn thiện hơn. Đà Nẵng, Ngày 10 tháng 6 năm 2011 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG: Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong sinh hoạt. Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện chiều, vì chúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã mở ra một triển vọng lớn cho các loại động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm sau: + Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều. + Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm. + Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 4 1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. 1.2.1 Cấu Tạo: Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: dây quấn sơ cấp nhận điện áp lưới với tần số f1, dây quấn thứ cấp được khép kín. Dây quấn thứ cấp thứ cấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f2 và nó là hàm của tốc độ góc rôto w . Động cơ không đồng bộ được chia làm hai loại: động cơ KĐB dây quấn và động cơ KĐB rôto lồng sóc. Động cơ KĐB dây quấn là loại động cơ mà rôto có dây quấn giống stato, dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao, ba đầu cũng được nối với vành trượt, đấu với mạch ngoài bằng chổi than. Nhờ cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ. Động cơ KĐB rôto lồng sóc có dây quấn rôto khác hẳn với kết cấu của stato. Trong rảnh của rôto người ta đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm và nối tắt chúng ở hai đầu vòng ngắn mạch. Cấu tạo gồm hai phần chính: + Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 và được cấp điện áp xoay chiều 3 pha để tạo từ trường quay. Phần cảm đặt ở stato được nối sao hoặc tam giác. + Phần ứng cũng gồm 3 cuộn dây, thường đặt ở rôto, với rôto bằng sắt và rôto dây quấn. 1.2.2 Nguyên lý hoạt động. Động cơ KĐB làm việc dựa tren hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đặt điện áp 3 pha vào 3 dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stato. Khi từ trường quay (giả thiết theo chiều kim đồng hồ) của phần cảm quay qua các thanh dẫn phần ứng thì các cuộn dây (hay thanh) của phần ứng xuất hiện 1 suất điện động cảm ứng. Nếu mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra (chiều được xác định bằng qui tắc bàn tay phải). Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này, hai Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 5 lực từ có chiều được xác định theo qui tắc bàn tay trái, và tạo ra mômem làm quay phần cảm theo chiều quay của từ trường quay. Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều 3 pha Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu phần cảm quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường thì từ trường sẽ không quay qua các dây dẫn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng không còn. Do mômen cản phần cảm sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn phần cảm lại bị từ trường quay qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện lại và do đó mômen lẫn phần cảm tiếp tục quay theo từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Tốc độ từ trường quay là w 0 (rad/s) hay n0 (vòng/phút) thì tốc độ quay của phần cảm w luôn nhỏ hơn w < w 0, n<n0, sai lệch tương đối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s. Với s = (ω0 - ω)/ω0 (1-1) ω = ω.(1-s) hay n=n0(1-s) (1-2) ω = (2pn)/60, hay w 0 = (2pn0)/60 = (2pf1)/p (1-3) f1: là tần số của lưới Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 6 Tốc độ w 0 (rad/s) hay n0 (vòng /phút) là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này được gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Dòng điện cảm ứng trong phần dây phần ứng ở rôto cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối với từ trường quay. 0 2 1 ( ) . 60 p n nf s f-= = (1-4) 1.2.3 Vận hành động cơ không đồng bộ: a) Mở máy động cơ KĐB. Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy. Nói chung khi mở máy cần chú ý các yêu cầu sau: + Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặt tính cơ của tải. + Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. + Phương pháp mở máy và các thiết bị cần dùng phải đơn giản, rẻ tiền chắc chắn. + Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. b Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ. Theo thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ là đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi bỏ qua tổn thất do ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-3. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 7 Hình 1-3: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U1 là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) . '1 2, ,I I Im - dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện rôto đã qui đổi về stato(A). '1 2, ,R R Rm điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về stato (W ). '1 2, ,X X Xm điện kháng tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về stato ( W ). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng. [ ] 2 ' 1 2 ' 2 22 0 1 3 , . ( ) nm U RM N m Rs R X s w = é ù + +ê ú ë û (1-5) Trong đó: nmX điện kháng ngắn mạch '1 2nmX X X= + * Đường đặc tính cơ Với những giá trị khác nhau của s (0 1s£ £ ), phương trình cho những giá trị M. Đường biểu diễn M=f(s) trên trục tọa độ s0M như hình vẽ, đó là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 8 Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường dặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: 0 d M d s = Giải phương trình ta có: ' 2 2 2 1 th nm Rs R X = ± + (1-6) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: 2 1 2 2 0 1 1 3 2 ( th nm UM R R Xw = ± + (1-7) Vì ta đang xét trong giới han ( 0 1s£ £ ) (chế độ động cơ) nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xaoy chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn ẠK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ w =0 (s=1) và mômen mở máy: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 9 [ ] 2 ' 1 2 ' 2 2 0 1 2 3 , . ( ) n m U RM N m R R Xw = é ù+ +ë û (1-8) Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (Mc =0) và tốc độ đồng bộ. 10 2 f p p w = (1-9) c) Ảnh hưởngcủa tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ. Khi thay đổi f1theo (1-9), tốc độ đồn bộ 0w thay đổi, đồng thời X1,X2 cũng bị thay đổi (vì = 2X fLp= ) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth. Quan hệ tới hạn theo tần số sth =f(f1) và mômen tới hạn theo tần số Mth=f(f1) là phức tạp nhưng vì 0w và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth ta rút ra: th 1 th 2 1 s : 1:M f 1 f ì ïï í ï ïî (1-10) Khi tần số f giảm, đồ trượt tới hạn sth và mômen Mth đều tăng lên nhưng Mth tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức fđm thì tổng trở của cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: 1 1 onsu c t f = (1-11) Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1fđm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1=Uđm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỷ lệ nghịch với Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 10 bình phương của tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật onsU c t f = để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. Hình 1-5: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn Hình 1-6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số kết hợp với thay đổi điện áp 1.3 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ. Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rải trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp và trong các thiết bị điện dân dụng... Ước tính có khoảng 50% lượng điện năng sản suất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 11 Động cơ KĐB có nhiều ưu điểm sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rải trong các nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng chục ngàn KW. Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ... Trong nông nghiệp được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa... Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không đồng bộ là so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều còn gặp nhiều khó khăn, bởi các thông số của máy điện xoay chiều là thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ xoay chiều. Để có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ xoay chiều đòi hỏi phải có một hệ thống tính toán cực kỳ nhanh và chính xác trong quan hệ qui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến nay phần lớn các động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém. 1.4 KHẢ NĂNG DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU THAY CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ điện một chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và mômen hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp). Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 12 Điều khiển vector cho phép tạo ra các phản ứng nhanh và chính xác của cả từ thông và mômen trong cả quá trình quá độ cũng như xác lập của máy điện xoay chiều giống như máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng điều khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rải trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Với sự phát triển nhanh của nghành công nghiệp tự động đòi hỏi sự cải tiến thường xuyên của các hệ truyền động khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy những hệ truyền động của động cơ điện một chiều đang dần dần bị thay thế bởi những hệ truyền động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính để sử dụng rộng rải động cơ điện một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và mômen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn. Trong khi đó các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được sự đòi hỏi chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn. Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát triển rộng rải của các hệ truyền động xoay chiều.(vì giá thành động cơ xoay chiều rẻ hơn động cơ điện một chiều). Với sự phát triển mạnh mẽ của các bọ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó là thuyết điều khiển trực tiếp mômen lực (Direct Torque Control hay viết là DTC) do giáo sư Noguchi Takahashi đưa vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 13 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VỚI VIỆC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ. Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới, dòng điện khởi động rất lớn. Điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong rôto làm nóng động cơ thậm chí có thể làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ. Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải tăng lên dòng điện bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tăng tải hệ số công suất cũng tăng. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin. Điêu này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ. Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn hoặc đảo chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng, trước phương pháp hãm cơ được dùng, lực ma sát giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn thất nhiệt lớn. Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy bơm, ở những lọa tải này mômen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ này phụ thuộc váo tải có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 14 cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào mà điều này không thể thực hiện đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới. Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong động cơ có chứa nhiều thành phần bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến làm giảm tuổi thọ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạy động ở tần số cao bởi tính cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung ảnh hưởng đến các vòng đồng của rôto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ. Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh. Với sự phát triển vượt bậc của các thiết bị công suất dẫn đến việc điều khiển động cơ một cách dễ dàng hơn. 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ: 2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto. Đối với động cơ rôto dây quấn thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở rôto để thay đổi hệ số trượt s, việc điều chỉnh được thực hiện ở phía rôto. Phương pháp này còn gọi là phương pháp biến trở. Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở phụ ở mạch rôto Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 15 Khi đưa thêm điện trở phụ Rf vào mạch rôto làm cho dòng điện rôto giảm xuống dần đến tốc độ quay giảm xuống. Điện trở tổng của mạch rôto sẽ là: R å = Rr+Rf Trong đó: Rr là điện trở dây quấn một pha của rôto Rf là điện trở phụ một pha nối tiếp với rôto Đặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi điện trở mạch rôto như sau: Hình 2-2: Đặc tính điều chỉnh khi thay đổi điện trở mạch rôto động cơ KĐB rôto dây quấn Các đặc tính điều chỉnh phải thỏa mãn phương trình đặc tính cơ: M = ' ' ' ' 2 )1(2 th th th thth aS S S S S aSM ++ + (2-1). Trong đó: 'thS = 22 1 '' 2 nm f XR RR + + (2-2). Mth = Mthtn = Const (2-3). a = 2 1 R R . Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 16 Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với đặc tính tự nhiên có tải là Mc và tốc độ là w 1, ứng với điểm làm việc a nên đặc tính điều chỉnh như hình 2-2. Để điều chỉnh tốc độ ta đóng Rf vào cả 3 pha của rôto, dòng điện và mômen của động cơ giảm đột biến (bỏ qua quán tính điện từ của động cơ) cho nên điểm làm việc trên mặt phẳng đặc tính cơ chuyển từ a qua b, tại thời điểm đó mômen của động cơ nhỏ hơn Mc nên hệ giảm tốc. Mặc khác vì tốc độ giảm, độ trượt tăng nên suất điện động tăng. Cảm ứng trong rôto E2= s.E2nm tăng lên, do đó dòng điện và mômen của động cơ lại tăng lên 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 Rf. Khi điều chỉnh điện trỏ Rf =0 tới Rf =R1 ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong miền nằm giữa đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ của biến trở với Rf=R1. Nhận xét: + Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm. Tuy vậy đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh khá liên tục trong phạm vi khá rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cỡ trung bình. + Thao tác đơn giản. + Giá thành ban đầu cũng như chi phí bảo trì thấp. + Đặc tính cơ dốc khi tốc độ thấp nên nên phương pháp này sẽ cho tốc độ kém ổn định. + Phương pháp không kinh tế vì tổn thất năng lượng lớn. Ứng dụng đối với các hệ thống làm việc ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại và không yêu cầu về ổn định tốc độ cao như: máy nâng, cầu trục, thang máy … 2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực. * Sơ đồ nguyên lý. Phương pháp thay đổi số đôi cực thường được dùng nhiều nhất cho động cơ hai cấp tốc độ, có hai cách đấu như sau: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 17 Hình 2-2: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ D -YY Hình 2-3: Đổi nối dây quấn stato theo sơ đồ Y-YY Để thay đổi số đôi cực p người ta thay đổi cách đấu dây ở stato của động cơ. Những máy đặc biệt này người ta gọi là máy đa tốc độ. Số đôi cực của nó được thay đổi bằng hai cách khác nhau. Cách thứ nhất dùng hai tổ nối dây riêng biệt mỗi tổ có hai số đôi cực riêng, cách thứ hai dùng: dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được thành hai đoạn. Thay đổi cách nối giữa hai đoạn đó ta sẽ thay đổi một đôi cực p. Cách thứ nhất tạo được hai cấp tốc độ bất kỳ không phụ thuộc nhau. Cách thứ hai có sơ đồ đấu dây phức tạp và có hai cấp tốc độ phụ thuộc nhau. Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 18 Khi đổi nối từ D à YY: ta có những quan hệ sau: khi đấu D hai đoạn dây stato đấu nối tiếp nên: R1 = 2r1 ; X1 = 2X1 Và tương ứng R2 = 2r2 ; X2 = 2X2 ; Xnm = 2Xnm (2-4). Trong đó r1, r2, X1, X2, là các điện trở và các điện kháng mỗi đoạn dây stato và rôto. Điện áp đặt lên dây quấn mỗi pha là: Uf D = 13U . Do đó: Sth D = 2)' 21 2 1 ' 2 ( DDD D ++ XXR R = 22 1 ' 2 nmXr r + (2-5). M th D = 2 1 2 2 0 1 1 nm U 3 3 2 R R RD D Dé ùw ± +ë û = 2 1 2 2 0 1 2 nm 9U 4 r r Xé ùw ± + ë û (2-6). Khi nối YY thì: R1YY = 2 1 r1 ; X1YY = 2 1 X1 ; R2YY = 2 1 r2 ; X2YY = 2 1 X2 (2-7). Còn điện áp trên dây quấn mỗi pha là: UfYY = U1 Vì vậy: SthYY = )( '2 2 1 2 1 ' 2 YYYYYY YY XXR R ++ = 22 1 ' 2 nmXr r + = Sth D (2-8). MthYY = é ùw ± + ë û 2 1 2 2 0YY 1YY 1YY nmYY 3U 2 R R X = 2 1 2 2 0 1 1 nm 3U 2 r r Xé ùw ± + ë û (2-9). So sánh hai công thức (2-6) và (2-9) ta thấy: Dth thYY M M = 3 2 (2-10) Như vậy khi nối D - YY thì tốc độ lý tưởng không tải tăng hai lần, sth giữ nguyên, mômen tới hạn Mth giảm 1 3 . Đặc tính cơ của nó có dạng: Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 19 Hình 2-2: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho phép khi đổi nối dây quấn stato D - YY Khi đổi nối Y-YY: SthY = 22 1 ' 2 nmXr r + (2-11). MthY = 2 1 2 2 0 1 1 nm 3U 4 r r Xé ùw ± + ë û (2-12). SthY = SthYY ; MthY = 2 1 MthYY (2-13). Dạng đặc tính cơ của nó có dạng: Hình 2-3: Các đặc tính cơ điều chỉnh và đặc tính tải cho phép khi đổi nối dây quấn stato Y- YY Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh SVTH:Tề Minh Tri Trang 20 Nhận xét: