Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta hiện nay đang hội nhập ngày càng sâu rộng vào nền kinh tế thế giới,
việc cạnh trạnh về thị trường là rất khốc liệt. Để có được những sản phẩm cạnh tranh thì
cần phải thay đổi công nghệ sản xuất lạc hậu, thay vào đó là những dây chuyền sản xuất
khép kín, tính tự động hóa cao nhằm mang đến những sản phẩm chất lượng với giá thành
rẻ, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.
Với những ưu điểm như hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành rẻ và chi phí
vận hành hằng năm thấp. Do đó, động cơ không đồng bộ đáp ứng được các yêu cầu cao
trong điều khiển và được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt
là sản xuất công nghiệp…. Tuy nhiên, do cấu trúc phi tuyến với nhiều thông số nên việc
điều khiển động cơ không đồng bộ là khó khăn.
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, vi điều khiển
nhiều phương pháp điều khiển mới đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng
bộ. Sử dụng biến tần và khởi động mềm là hai phương pháp điều khiển động cơ tiên tiến
hiện nay, được ứng dụng rộng rãi với nhiều tính năng, đảm bảo các yêu cầu điều khiển.
Đây cũng là lí do mà nhóm chúng em lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG
BIẾN TẦN VÀ BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT
LỚN” cho đồ án của chúng em. Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn Trần Văn Hải cùng với các thầy
cô giáo trong khoa, các bạn, đến nay đồ án của em đã hoàn thành.
Với khả năng kiến thức còn nhiều hạn chế, do đó bản đồ án này sẽ không tránh
khỏi những thiếu xót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô
và các bạn để đồ án này được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 6 năm 2012.
SVTH: Dương Đức Đạt.
Phạm Văn Cường.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 1
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
Tp.Hồ Chí Minh, Ngày… tháng… năm 2012.
Giáo viên phản biện.
(ký và ghi rõ họ tên)
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 3
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3
MỤC LỤC 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6
1.1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 6
1.2. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 6
1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 6
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 7
2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 8
2.2. CẤU TẠO 9
2.2.1. Phần tĩnh (Stator) 8
2.2.2. Phần quay (Rotor) 10
2.2.3. Khe hở không khí 11
2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 11
2.4. CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. TÍNH CẦP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong các ngành sản xuất công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng
khá phổ biến trong các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất bởi tính chất đơn giản
và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng
bộ trong sản xuất đặc biệt với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình
khởi động động cơ do khi khởi động rotor ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện
khởi động và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể
không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác trong hệ thống
điện.
Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ đã được nghiên cứu từ lâu với các
biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện và momen khởi động. Ngày nay, công nghệ
bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày càng được sử dụng
rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều khiển tốt. Sự ra đời của các bộ
biến tần, bộ khởi động mềm đã giải quyết những nhược điểm mà các phương pháp điều
khiển truyền thống mắc phải. Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi
động hoàn toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của
van bán dẫn, làm hạn chế dòng điện khởi động xuống còn 1.5 đến 3 lần dòng định mức,
phụ thuộc vào chế độ tải vì khi động cơ được đóng điện trực tiếp vào lưới điện dòng khởi
động của động cơ không đồng bộ sẽ rất lớn từ 5 đến 7 lần dòng định mức. Đồng thời điều
chỉnh tăng mômen mở máy một cách hợp lý, cho nên các chi tiết của động cơ chịu độ dồn
nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng
đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh
hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới điện.
Với đề tài mà chúng em thực hiện là: “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN
VÀ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN” nghĩa là: điều
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 6
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
Động cơ không đồng bộ ba pha do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và
bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân,
nhất là loại công suất dưới 100 kW.
Động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất (nhất là loại rotor
lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ công suất nhỏ và
trung bình. Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi
động lớn thường bằng 5-7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này,
người ta chế tạo đông cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rotor rãnh
sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên.
Động cơ điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độ trong
một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động
không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rotor lồng sóc, do đó giá thành
cao hơn, bảo quản cũng khó hơn.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 8
Hình 2.1: Động cơ không đồng bộ ba pha.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
2.2. CẤU TẠO
Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần
quay (rotor).
2.2.1. Phần tĩnh (Stator)
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn:
Vỏ máy:
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.
Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn
(1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm nguội
máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
Lõi sắt:
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn
hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt
nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất
nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công
suất của máy cao hơn.
2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được bố trí
ba cuộn dây AX, BY và CZ.
Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ có hệ
thống dòng điện 3 pha (i
su
, i
sv
, i
sw
), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình
2.5) với tốc độ:
p
f
n
.60
1
=
(vòng/phút) (2.1)
Trong đó:
• f
1
: tần số nguồn điện.
• p: số đôi cực từ của dây quấn.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 11
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor một sức điện
= n
1
- n
2
(2.2)
Tỷ số:
s =
1
21
1
n
nn
n
n
−
=
(2.3)
Đây chính là hệ số trượt của động cơ.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 12
Hình 2.5: Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
Khi s=0 nghĩa là n
1
=n
2
, tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế độ
không tải lý tưởng (không có bất cứ sức cản nào lên trục). Ở chế độ không tải thực, s≈0
vì có một ít sức cản gió, ma sát do ổ bi …
Khi hệ số trượt bằng s=1, lúc đó rotor đứng yên (n
=
−
=
(2.5)
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 13
Hình 2.6. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
Động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở chế độ máy phát điện nếu ta dùng một
động cơ khác quay nó với tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ, trong khi các đầu ra của nó
được nối với lưới địện. Nó cũng có thể làm việc độc lập nếu trên đầu ra của nó được kích
bằng các tụ điện.
Động cơ không đồng bộ có thể cấu tạo thành động cơ một pha. Động cơ một pha
không thể tự mở máy được, vì vậy để khởi động động cơ một pha cần có các phần tử
khởi động như tụ điện, điện trở …
Khi nam châm điện quay (tốc độ n
1
vòng/ phút ) làm đường sức từ quay cắt qua các
cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây. Sức điện động E
sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây. Vì dòng điện I nằm trong từ trường nên khi từ
trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F. Lực điện từ này làm khung
dây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút.
2.4. CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.4.1. Những yêu cầu đặt ra trong quá trình điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi trong
suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp, một phần
đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết thời gian momen động
cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn. Điều này làm tổn
thất công suất lớn trên đường truyền và trong rotor, làm nóng động cơ, thậm chí có thể
phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ
vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn
đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 15
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
2.4.2. Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ
2.4.2.1. Mở máy trực tiếp động cơ điện rotor lồng sóc
Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện
vào lưới điện là được.
• Ưu điểm:
- Đây là phương pháp đơn giản.
- Nếu nguồn điện tương đối lớn thì có thể dùng phương pháp này để mở máy vì
mở máy nhanh và đơn giản.
• Nhược điểm:
- Dòng điện mở máy tương đối lớn.
- Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá dài thì có thể làm
cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới .
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 16
Hình 2.7: Sơ đồ đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
2.4.2.2. Hạ điện áp mở máy
Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng thời mômen
mở máy cũng giảm xuống. Do đó đối với những tải yêu cầu có mômen mở máy lớn thì
phương pháp này không dùng được. Tuy vậy, đối với những thiết bị yêu cầu mômen mở
máy nhỏ thì phương pháp này rất thích hợp. Ví dụ: tải quạt gió,bơm,
2.4.2.3. Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stator:
Sơ đồ nối dây như hình 2.9. Khi mở máy trong mạch điện stator đặt nối tiếp một
điện kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K
1
của công tắc tơ thì điện
.M
K
Trong đó: k < 1.
• Ưu điểm:
- Thiết bị khởi động đơn giản.
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu.
- Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp.
• Nhược điểm:
- Khi giảm dòng điện khởi động xuống thì mômen mở máy giảm đi bình
phương lần.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 18
Hình 2.9: Hạ điện áp mở máy bằng cuộn kháng
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
2.4.2.4. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy
Sơ đồ nối dây như hình 2.10. Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối với động
cơ điện. Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cách đóng tiếp điểm K
2
vào và mở K
1
ra).
Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là k
T
(k
T
< 1) thì:
- Điện áp đầu cực động cơ : U
’
k
= k
T
T
k
.I
K
Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn
2
T
k
lần.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 19
Hình 2.10: Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
• Ưu điểm:
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu.
- Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn
kháng thì ta có mômen máy lớn hơn.
- Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp, cao áp.
• Nhược điểm:
- Mômen mở máy giảm.
- Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu.
2.4.2.5. Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - ∆:
Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu
tam giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có
U
1
/
3
. Sau khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu ∆. Sơ đồ cách đấu dây như hình 2.11.
Khi mở máy thì đóng ATM, tiếp điểm K
Y
Khi mở máy trực tiếp động cơ đấu ∆ khi đó:
- Điện áp pha trên dây quấn là : U
kf
= U
1
- Dòng điện pha khi mở máy là :
kfk
I.3I =
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 20
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
Như vậy khi mở máy đấu Y thì:
- Dòng điện pha khi mở máy là : I
1
=
kkf
'
kf
I
3
1
I
3
1
I ==
- Mômen khi mở máy là:
k
'
k
M
3
- Dùng cho động cơ rotor dây quấn có thể đạt được mômen mở máy lớn.
- Dòng điện mở máy nhỏ nên những nơi nào mở máy khó khăn thì dùng động
cơ điện loại này.
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 22
Hình 2.12: Sơ đồ nối dây và đặc tính mômen khi thêm điện
trở vào rotor để mở máy.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
Nhược điểm:
- Rotor dây quấn là rotor chế tạo phức tạp hơn rotor lồng sóc nên đắt hơn. Bảo
quản khó hơn, hiệu suất thấp của máy thấp hơn.
- Phương pháp này chỉ áp dụng được cho động cơ không đồng bộ rotor dây
quấn.
- Bảo quản khó hơn, hiệu suất thấp hơn.
- Tổn thất công suất trên điện trở phụ lắp vào rotor.
2.4.2.7. Mở máy dùng bộ khởi động mềm (bộ điều áp xoay chiều)
Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 2.13. Ứng với các góc mở α
khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ khác nhau ứng với
từng góc α.
• Ưu điểm:
- Mở máy động cơ dễ dàng bằng cách điều khiển góc mở α lớn để hạn chế dòng
điện mở máy.
- Áp dụng cho tất cả các loại động cơ ở các cấp điện áp khác nhau.
• Nhược điểm:
SVTH: Dương Đức Đạt – Phạm Văn Cường Trang 23
Hình 2.13: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều.
Đồ án học phần 1 GVHD: Trần Văn Hải
- Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng.
2.4.2.8. Mở máy dùng biến tần
• Ưu điểm:
- Phương pháp mở máy dùng biến tần có thể giảm dòng khởi động mà mômen
cực từ theo công thức:
P
f
1
0
2
π
ω
=
(2.6)
Ta lại có, tốc độ của rotor động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:
( )
s−= 1
0
ωω
(2.7)
Do đó, bằng việc thay đổi tần số nguồn f
1
hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều
chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi
cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f
1
. Bằng cách thay
đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng khi tần số giảm, trở
kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của
động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và
động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất. Vì vậy
người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ
thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thế là từ thông stato Φ
1
Copyright: Tài liệu đại học ©