THIếT Kế MÔN HọC: điện tử công suất

Đề số 8:
I. Tên đề tài: Thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây
quấn bằng điện trở xung trong mạch rôto
II. Số liệu cho trớc: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn 9KW; 915
V/ph; 380/220V; = M th M

dm

= 2,1 ; Cos dm = 0,74 ; I 1dm = 24 A ; R1 = 0,75 ; X 1 = 1,05

; E 2 nm = 273V ; I 2 dm = 25 A ; R2 = 0,485 ; X 2 = 0,855 ; hệ số biến áp K 2 = 1,92 ; Mô
men quán tính J = 0,46kgm 2 .
- Điện trở phụ (xung) nối qua chỉnh lu diode.
III. Nội dung tính toán:
1. Vẽ sơ đồ điều khiển, thuyết minh.
2. Tính toán các số liệu động cơ, vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
3. Xác định giá trị điện trở phụ trong mạch chỉnh lu ứng với hai đặc tính cơ

1
nhân tạo đi qua điểm M dm ; Wdm và [ 0,4M dm ;0] , vẽ đặc tính cơ nhân tạo này.


2



4. Tính toán và chọn lọc các linh kiện diode, Tiristo, Tụ, Kháng cần thiết
trong sơ đồ.
5. Tính toán các thông số và chế độ của bộ khoá Tiristo để toạ ra điện trở


Tác giả Bùi Đình Tiếu.

2. Thiết kế thiết bị điện tử công suất

Tác giả Trần Văn Thịnh.

3. Lý thuyết điều khiển tự động

Tác giả Phạm Công Ngô.

3


MụC LụC
Chơng I: Giới thiệu khái quát về động cơ không đồng bộ rô to dây quấn.
Chơng II: Thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây
quấn bằng điện trở xung trong mạch rô to.
1. Vẽ sơ đồ điều khiển, thuyết minh.
2. Tính toán các số liệu động cơ, vẽ đặc tính cơ tự nhiên.
3. Xác định giá trị điện trở phụ trong mạch chỉnh lu ứng với hai đặc tính cơ

1
nhân tạo đi qua điểm M dm ; Wdm và [ 0,4M dm ;0] , vẽ đặc tính cơ nhân tạo này.


2





0 =

2. . f
p

c tớnh c in v theo dũng rụto ng
c khụng ng b

S


0

0

R 'f = 0(tn)

1
0

I 2' nm I52'


Trên thực tế đờng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là đờng cong có
hai đoạn nh hình 3:
Đoạn thứ nhất từ điểm không tải lý tởng (s = 0; = o) đến điểm tới
hạn (s = sth) gọi là đoạn công tác có độ cứng < 0. Động cơ chỉ làm việc xác lập
trên đoạn này.
Đoạn thứ hai từ điểm tới hạn đến điểm ngắn mạch (s = 1; = 0) có độ

đợc ứng dụng rộng rãi. Sơ đồ nguyên lý đơn giản cho tại hình 1 thì đây là một sơ đồ
ứng dụng phơng pháp điều khiển bằng điện trở phụ rô to mà sơ đồ nguyên thuỷ của
nó đợc thể hiện tại hình 2.

6


ở đây dòng điện ba pha rôto I2 đợc chỉnh lu bởi cầu Điốt thành dòng một
chiều Id chảy qua điện trở Rmc điện trở này đóng vai trò điện trở phụ R f đợc thể hiện
trong hình 2. Mỗi giá trị của Rmc tơng tự nh một giá trị của Rf sẽ cho ta đợc một đờng đặc tính nhân tạo. Ngời ta đã chứng minh đợc rằng để có đợc đờng đặc tính nh
nhau thì giá trị Rmc ở hình 1 và Rf ở hình 2 có quan hệ:
Rmc = 2 R f

Nếu cho trớc yêu cầu về chế độ công nghệ của máy sản xuất ta có thể xác
định đợc đặc tính cơ công tác nghĩa là biết trớc đợc độ trợt tới hạn nhân tạo Sth.nt
của đặc tính này từ đó chúng ta có thể xác định đợc giá trị điện trở một chiều cần
cho vào mạch.
Để mở rộng phạm vi điều chỉnh (cả mômen và tốc độ) ngời ta thờng tao ra
hai đờng đặc tính giới hạn: đờng 1 giới hạn ngoài, đờng 2 - giới hạn trong nh hình
4.
Đờng giới hạn ngoài nhằm mục đích hạ thấp đờng đặc tính cơ tự nhiên,
thành đặc tính nhân tạo có độ trợt tới hạn Sth1 đủ lớn nhờ đó đảm bảo cho vùng tốc
độ thấp có khả năng điều chỉnh mômen rộng nhất là trong vùng hãm ngợc điều mà
đặc tính tự nhiên không có đợc ( xem đờng nét đứt momen nhỏ ) hình 4 để có đợc
đờng đặc tính này ta nối cố định trên điện trở Ro nh hình 1 giá trị Ro thờng đợc
chọn:
R0 (0,15 ữ 0,2) Rdm

Trong đó:
Rđm là điện trở định mức của động cơ


Ud.max : Điện áp chỉnh lu lớn nhất ứng với khi động cơ ngắn mạch.
Một quá trình quá độ nh khởi động, đảo chiều sẽ diễn ra theo đờng dích dắc
qua lại giữa hai đờng đặc tính nêu trên. Khi Tiristo T mở ( thông ) điểm làm việc có
su hớng chậy về đờng 1. Khi Tiristo T khoá ( ngắt ) điểm làm việc sẽ chậy về đờng
2 tuy nhiên nhờ điện cảm của mạch đủ lớn ( X 2 và XCK ) nên dòng rô to không thể
đột biến do đó động cơ sẽ tăng tốc theo gợn sóng ( theo đờng 3 hình 4 ) Bằng cách
điều khiển Tiristo T ta có thể thay đổi thời gian t đ độ rỗng của xung điện trở và
nhờ đó sẽ xê dịch đợc đờng gợn sóng 3 dọc theo trục hoành, nghĩa là ta có thể điều
chỉnh đợc mômen và gia tốc trong các quá trình quá độ.

8


CHƯƠNG II:
Nội dung tính toán thiết kế sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây
quấn bằng điện trở xung trong mạch rô to
1. Vẽ sơ đồ điều khiển, thuyết minh:
Phần sơ đồ điều khiển đợc thể hiện qua hình vẽ 1. Phần thuyết minh đợc thể
hiện trên phần giới thiệu sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rô to dây quấn
bằng điện trở xung trong mạch rô to ở phần II- chơng I.
2. Tính toán các số liệu của động cơ, vẽ đặc tính cơ tự nhiên:
Đối với kiểu điều khiển này thì các điện trở Ro, R1,... cần xác định đơn vị
tuyệt đối () còn các đặc tính cơ tơng ứng với các điện trở đó có thể biểu thị theo
đơn vị tơng đối.
Độ trợt định mức:
S dm =

no ndm 1000 915
=


*
dm

]

= 1; s = 0,09

]
9


[M

*
dm

]

= 2,1; s = 1,21

Điện trở cố định mạch một chiều Ro sẽ đợc tính theo công thức:
Ro (0,15 ữ 0,2).Rdm

Mặt khác:
Rdm =

E 2 nm
3.I 2 dm


+ 1 = 2,78
2.0,485

Đặc tính cơ có độ trợt tới hạn Sth1 = 2,78 đảm bảo vùng điều chỉnh mômen
đủ rộng cho cả ở trạng thái hãm ngợc (góc phần t thứ 4) và khi khởi động.
Để chọn điện trở R1 ta xác định giá trị điện áp chỉnh lu lớn nhất ứng với trờng hợp động cơ ngắn mạch:
U d . max = 2,34.E 2.nm ( f )

10


U d . max = 2,34.
U d . max = 2,34.

E 2.nm ( f )
3
273
3

= 368,8(V )

Lấy mức hạn chế dòng điện rô to:
I 2. max =2.I 2.dm

Tơng ứng với dòng điện trong mạch một chiều:
I d .cp = I d . max = 1,226.I 2. max = 1,226.2.25 = 61,3( A)

Điện trở điều chỉnh R1 đợc tính nh sau:
R1 =



11


3. Xác định giá trị điện trở phụ trong mạch chỉnh lu ứng với hai đặc
tính cơ nhân tạo đi qua điểm M dm ; Wdm và [ 0,4M dm ;0] , vẽ đặc tính cơ nhân
2


1

tạo này.
Mục đích chính ở đây là phải làm thay đổi điện trở của mạch rôto vì thế ta
phải nối thêm điện trở phụ vào ba pha (bằng nhau hoặc không bằng nhau) nh hình
5. Từ các biểu thức:
Độ trợt tới hạn:

R2'

s th =

2
R12 + X nm

Và mômen tới hạn:
M th =

[

3.U 12

Thực chất của vấn đề ở đây năng lợng trợt trong mạch rô to của động cơ.
Nghĩa là nó đợc biểu thị bằng các thông số sđđ xoay chiều E2 dòng điện xoay chiều
I2 và tần số mạch rô to f2 = f1s cũng đợc chỉnh lu thành dạng một chiều với các
thông số E2d, Id nhờ cầu Diode chỉnh lu rồi đợc truyền vào bộ nghịch lu với chức
năng là thiết bị biến đổi.
ở bộ nghịch lu này việc chuyển mạch các Tiristo đợc thực hiện nhờ điện áp
lới do đó năng lợng đợc trợt dạng một chiều sẽ đợc biến đổi thành xoay chiều có
tần số điện áp lới, cuối cùng qua máy biến áp năng lợng trợt đợc trả về lới điện.
Dòng điện rô to của động cơ I2 hoặc dòng điện trong mạch một chiều Id cũng
đợc xác định theo công thức:
I d = K i .I 2 =

E d 2 Ebd
Rt

(1)

I d = K i .I 2 = 1,92.25 = 48( A)

Trong đó:
Rt - điện trở tổng trong mạch CL.
Ebd Sđđ của bộ NL
Ebd = E NL = U do .Cos = U do .Cos (2)

Trong đó:
- Góc mở của Tiristo với ( = /2)
13


= - Góc mở chậm của Tiristo ở trạng thái NL.


= 0 - Độ sụt tốc hoặc tốc độ trợt của Rôto.

Từ biều thức trên cho ta thây rằng nếu giữ 2 = 2đm = Const thì I1 phụ
thuộc vào quan hệ:

mhiệu
sụt tốc để tạo ra
Nói cách khác khi ta thayđổi tần số nếu ta lấy H
tín
hàm I1 () rồi điều khiển bộ biến tần đảm bảo dòng I1 theo quy luật đó thì từ
thông Rô to 2 sẽ đợc giữ không đổi bằng định mức.
onst
Việc duy trì 2đm = const cho phép điềukhiển
mômen động cơ chính xác và
2 = const
tạo đợc các đặc tính điều chỉnh tốt. Việc điều khiển I1 cũng đợc thực hiện dẽ dàng,
thông qua bộ biến tần có nghịch lu0dòng hoặc điều khiển giánM
tiếp thông qua đại lợng U1 của bộ biến tần có nghịch lu áp.
Sơ đồ khối đợc thể hiện thông qua luật I 1 = f ( ) Hình 7. ở đây từ tín hiệu
đặt đ và tín hiệu phản hồi ta lấy đợc tín hiệu sử dụng thông qua bộ tạo hàm
ta sẽ có tín hiệu dòng điện I1đ mong muốn để điều khiển bộ chỉnh lu. Mặt khác
15


tín hiệu đặt đ tỷ lệ với tần số đặt sẽ trực tiếp điều khiển bộ nghịch lu ĐCi và ĐC
là các bộ điều chỉnh tơng ứng trong mạch vòng điều chỉnh dòng điện và mạch vòng
điều chỉnh tốc độ.
Cũng có thể lấy dòng điện Imc không phải từ nguồn điện một chiều bên ngoài
mà sử dụng ngay năng lợng của động cơ thông qua bộ chỉnh lu ở mạch rôto hình 8a hoặc bộ tụ điện ở mạch Stato hình 8-b. Các sơ đồ này đợc gọi là hãm tự kích nó

= 96( Rad / s)
9,55 9,55

Tốc độ không tải lý tởng:
0 =

1000
= 105( Rad / s)
9,55

Độ trợt định mức:
S dm =

n0 ndm 1000 915
=
= 0,09
n0
1000

Độ trợt tới hạn:

)

(

(

)

S th S dm . + 2 1 = 0,09. 2,1 + 2,12 1 = 0,355

Thì ta đợc:
M = J.

d
dt

(2)

Mặt khác mô men động cơ M phụ thuộc vào độ trợt S theo phơng trình đặc
tính cơ:
M =

2.M th
S
S
+ th
S th
S

(3)

Do độ trợt và tốc độ có quan hệ: = 0 .(1 S ) nên ta lấy đạo hàm cả hai vế:

d
ds
= 0 .
dt
dt
Thay vào (1), (2), (3) ta có:
2.M th

.
+ th
S
th S th

2.M

S bd


.ds


S2 S2
S
1
t = .Tco . bd
+ S th . ln . bd
2
S
2.S th





Trong đó: Tco - Hằng số thời gian cơ học quy ớc:
Tco =

J . 0 0,46.105

S
S th
S

Từ đây ta có thể tính đợc giá trị tốc độ tơng ứng theo biểu thức:
= 0 .(1 S )

Các số liệu tính toán đợc ghi trong bảng sau:
S(chọn trớc)
= 0 .(1 S )

t (sec)
M (Nm)

1
0
0
124

0,9
0,8
0,7
0,5
0,4 0,355 0,2 0,1 0,09
10,5
21
31,5 52,5 63 67,7 84 94,5 96
0,038 0,073 0,106 0,163 0,19 0,2 0,24 0,28 0,28
135
146

2.S th

19

1
12 0,09 2
1
= .0,25.

+ 0,355. ln
0,09
2.0,355
2


t kd = 0,125.(1,4 + 0,85) = 0,28(sec)

20