Đồ án Truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ªªªªª ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG BIẾN TẦN CBHD : TH. S TRẦN QUANG THỌ SVTH : LÊ HOÀNG MINH - NHÂM ĐỖ MINH HOÀNG MSSV : 07102073 - 07102053 TP Hồ Chí Minh – Tháng 6/2010 A. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI M áy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày… vì có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác. Trong công nghiệp, động cơ KĐB 3 pha là loại động cơ chiếm 1 tỷ lệ rất lớn. Dải công suất của động cơ cũng rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW. Đó là do động cơ KĐB có những ưu điểm: kết cấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy ngay từ lưới điện công nghiệp. Tuy nhiên, các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dung động cơ KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ 1 chiều. Đó là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp. Chỉ khi có linh kiện bán dẫn công suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển cùng với kỹ thuật điện tử tin học thì các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ KĐB mới được khai thác mạnh hơn. Hiện nay có rất nhiều hệ thống điều tốc động cơ KĐB, chằng hạn như: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong đó hệ thống điều tốc biến tần có hiệu suất cao nhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và là phương hướng phát triển chủ yếu của điều tốc xoay chiều. Trong giới hạn đồ án này chỉ đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng biến tần. B. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I. Cấu tạo: Hình 1: Cấu tạo ĐCKĐB a)Phần tĩnh (Stato) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi 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 những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại. *Dây quấn Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn stato gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120o điện. b)Phần quay (roto) Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc. Rotor dây quấn : Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ . Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. c)Khe hở không khí Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm). 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. II. Nguyên lý làm việc: - Như đã biết trong vât lý, khi dòng điện xoay chiều 3 pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng đi qua 3 cuộn dây là từ trường quay. Nếu trong từ trường quay có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn này và làm xuất hiện 1 sức điện điện cảm ứng trong các thanh dẫn. Trong động cơ KĐB thì phía roto ( phần cảm ứng sức điện động ) được nối ngắn mạch làm xuất hiện dòng điện ( ngắn mạch ) trên dây quấn roto, dòng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này 1 lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra 1 momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. - Tốc độ quay của roto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quét qua các thanh dẫn nữa nên sẽ không có dòng điện cảm ứng nên momen quay cũng không còn. Khi đó, do momen cản roto sẽ quay chậm hơn từ trường quay và các thanh dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn của từ trường quay. Động cơ hoạt động với nguyên tắc này nên được gọi là động cơ không đồng bộ. - Tốc độ quay của từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số đôi cực càng lớn thì tốc độ từ trường quay càng giảm. Với cuộn cảm tạo ra từ trường có p đôi cực thì tốc độ quay giảm p lần là (vòng/s) Hay n0 = (vòng/phút) (1) Hoặc ω0 = = (rad/s) no, ωo là tốc độ từ trường quay, cũng là tốc độ lớn nhất mà rotor có thế đạt được khi không có bất kì lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ đồng bộ hay tốc độ không tải lý tưởng. Tần số lưới điện Việt Nam là 50Hz và vì p là số nguyên nên tốc độ đồng bộ thường là 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500…(vòng/phút). Tốc độ không đồng bộ của rotor n2 nhỏ hơn tốc độ đồng bộ no và sự sai lệch này được đánh giá qua 1 đại lượng gọi là hệ số trượt s: s = = = 1 - (2) ở chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị 0 s 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ tương đối của rotor khi từ trường quay: f2 = = s.f1 (Hz) (3) III. Đặc tính cơ của ĐCKĐB: 1) Phương trình đặc tính cơ: Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. Đó là sơ đồ điện 1 pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rotor đã được qui đổi về stator: Hình 2: Sơ đồ thay thế 1 pha ĐCKĐB Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha mà rotor không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điện động cảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số qui đổi sức điện động là: KE = Từ đó ta có hệ số qui đổi dòng điện: KI = Và hệ số qui đổi trở kháng: KR = KX = = KE2 Với các hệ số qui đổi này, các đại lượng ở rotor được qui đổi về phía stator theo cách sau: - Dòng điện : I’2 = KI.I2 - Điện kháng : X’2 = KX.X2 - Điện trở : R’2 = KR.R2 Các đại lượng khác trên sơ đồ thay thế hình 2: I0 – dòng từ hóa của động cơ. Rm, Xm – điện trở và điện kháng mạch từ hóa. I1 – dòng điện cuộn dây stator. R1,X1 – điện trở và điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện rotor qui đổi về stator được tính từ sơ đồ thay thế: I’2 = (4) Khi động cơ hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang rotor thành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P2 đốt nóng cuộn dây: P12 = Pcơ + ∆P2 Nếu bở qua tổn thất phụ thì có thể xem momen điện từ Mđt của động cơ bằng momen cơ Mcơ: Mđt = Mcơ = M Từ đó: P12 = M.ω0 = Mω + ∆P2 Suy ra : M = = (5) Mặt khác, công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha là: ∆P2 = 3.R’2.I’22 Thay vào phương trình tính moment ta được: M = (6) Trong đó Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch. Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là phương trình đặc tính cơ của ĐCKĐB 3 pha. Với những giá trị khác nhau của s (0 s 1) phương trình đặc tính cơ cho ta những giá trị khác nhau của M. Đường biểu diễn M = f(s) gọi là đường đặc tính cơ: Hình 3: Đường đặc tính cơ của ĐCKĐB Đường đặc tính cơ có điểm cực trị K gọi là điểm tới hạn. Tại đó: = 0 Giải phương trình ta có: sth = (7) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: Mth = (8) Vì đang xem xét ở chế động động cơ nên giá trị Mth, sth trên đặc tính cơ chỉ ứng với dấu +. 2) Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp đến đặc tính cơ: Phương trình đặc tính cơ cho ta thấy đặc tính cơ của ĐCKĐB chịu ảnh hưởng của nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2, điện trở và điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p và tần số lưới. Ở đây chỉ đề cập đến ảnh hưởng của tần số lưới đến đặc tính cơ động cơ KĐB 3 pha. Khi f thay đổi thì các thông số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn, momen tới hạn. Khi thay đổi f1 thì tốc đô đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị thay đổi (X = 2f L) kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth. Ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator R1 = 0 thì Mth là: Mth = Mặt khác: ω0 = Xnm = X1 + X’2 = ω1L1 + ω1L’2 = ω1.(L1 + L’2) = ω1.Lnm Thay vào phương trình Mth (8) ta có: Mth = Đặt: A = = const Suy ra: Mth = A. (9) Biểu thức trên cho ta thấy rằng khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên U1ph thì momen tới hạn giảm rất nhiều. Do đó khi thay đổi tần số nguồn thì đồng thời phải thay đổi U1ph theo các qui luật nhất định đảm bảo sự làm việc tương ứng của động cơ với nhiều loại tải khác nhau ( hình 4). Nghĩa là tỷ số giữa momen cực đại và momen phụ tải đối với các dạng đặc tính cơ là hằng số: λ = = const (10) từ biểu thức Mth (9) ta có: Với Mc là đặc tính cơ của tải, biểu thức thực nghiệm mang tính tổng quát của Mc như sau: Mc = Mco + ( Mcđm – Mco) (11) Khi xem Mco ≈ 0 thì biểu thức trên sẽ là: Mc = Mcđm= Mcđm Thay vào ta có: => (12) Với: Mc là momen cản của tải đối với trục quay ở tốc độ n. Mco là momen cản của tải đối với trục quay khi n = 0. Mcđm là momen cản cảu tải đối với trục quay khi n = nđm. x là số mũ đặc trưng mô tả đang đặc tính cơ của tải khác nhau. Hình 4: Đặc tính cơ của các dạng phụ tải Như vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số ta phải có bộ nguồn xoay chiều có khả năng điều chỉnh tần số điện áp đồng thời theo các qui luật sau: , ứng với Mc = Mcđm = const ( x = 0) như hệ thống nâng hạ, thang máy… , ứng với Mc = a + bn ( x= 1) như máy phát một chiều… , ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn2 ( x = 2) như quạt, máy bơm… , ứng với dạng đặc tính Mc = a + bn-1 ( x = -1) như máy cuốn dây, cắt kim loại… Hình 5,6,7,8: Các dạng đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số theo qui luật điều chỉnh U và f III. Các bộ biến tần: Các bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác, với các BBT dùng cho điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều, ngoài thay đổi tần số, chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lưới cấp vào BBT. Các BBT được chia làm 2 loại chính: - BBT trực tiếp: loại này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành f2 không qua khâu chỉnh lưu nên hiệu suất cao hơn loại gián. Biến tần trực tiếp thường được dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ roto lồng sóc, các động cơ roto dây quấn cung cấp bởi 2 nguồn, các động cơ đồng bộ…Tuy nhiên biến tần trực tiếp có các nhược điểm như: hệ số công suất thấp, tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp… - BBT gián tiếp: với BBT loại này, dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện 1 chiều ( f = 0 ), lọc rồi lại được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số f2. Đây là loại biến tần được dùng phổ biến hơn vì tần số ra f2 hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số vào mà chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. BBT gián tiếp cần có khâu chỉnh lưu trung gian. Tùy thuộc tính chất của khâu chỉnh lưu và dạng tín hiệu đầu ra mà BBT gián tiếp lại chia ra BBT nguồn áp hay BBT nguồn dòng. + BBT nguồn dòng thường dùng cho truyền động đảo chiều công suất lớn, có nguồn cấp một chiều là nguồn dòng, điện trở trong của nguồn rất lớn. Dạng dòng điện của nguồn dòng xác định dạng dòng điện ra trên tải, còn dạng áp trên tải thì phụ thuộc các thông số tải. Mạch điện một chiều thường mắc nối tiếp với một cuộn kháng có độ tự cảm lớn. + BBT nguồn áp thường dùng cho truyền động nhiều động cơ, có nguồn cấp một chiều là nguồn áp, điện trở trong rất nhỏ. Dạng điện áp nguồn xác định dạng điện áp ra trên tải, còn dạng dòng điện trên tải thì phụ thuộc vào các thông số tải. Mạch điện một chiều thường được mắc song song với một tụ điện có điện dung lớn. IV. BBT gián tiếp ba pha nguồn áp: _Sơ đồ nguyên lý: Hình 9: BBT gián tiếp 3 pha nguồn áp Nguồn điện xoay chiều 3 pha tần số f1 qua mạch chỉnh lưu cầu trở thành điện áp 1 chiều và được san phẳng bởi cuộn kháng K, lọc bởi tụ C sẽ cấp cho mạch nghịch lưu điện áp biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha tần số f2 ra ĐCKĐB. Trong mạch nghịch lưu ngoài các thyristor còn sử dụng các diode cách ly D1àD6 nhằm cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của ĐCKĐB để chúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch. Tần số điện áp ra f2 và độ lớn điện áp ra được quyết định bởi mạch nghịch lưu điện áp 3 pha cầu. Các quá trình điện từ trong mạch nghịch lưu điện áp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc tính tải, cách đấu tải, nguồn cấp và nguyên tắc điều khiển. Phương pháp điều khiển thường dùng nhất là điều khiển góc dẫn của thyristor: λ = 180o và λ = 120o. 1) Trường hợp λ = 180o Theo biểu đồ điều khiển trên hình 10 các thyristor ( các van) sẽ được mở lần lượt từ T1 đến T6 với góc lệch giữa 2 van là 60o. Như vậy trong bất cứ thời điểm nào cũng có 3 van dẫn. Để xác định dạng điện áp ra ta cần phải biết kiểu đấu dây quấn stator ĐCKĐB. _ Kiểu đấu sao: bằng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoảng 60o (vì cứ 60o lại có sự chuyển mạch). Từ đó ta có sơ đồ thay thế hình 10b. Nhìn chung sơ đồ này có dạng 1 pha mắc nối tiếp với 2 pha đấu song song nhau. Do đó: UA = UZA = (1/3)U = UC = UZC ; UB = UZB = (-2/3)U (a) (b) Hình 10: Dạng sóng điện áp ra trong trường hợp tải đấu sao, góc dẫn λ = 180o Theo dạng điện áp pha ta có trị hiệu dụng của nó: Upha = = (13) _ Kiểu đấu tam giác: vẫn bằng cách tìm sơ đồ thay thế cho từng khoảng 60o như ở kiểu đấu sao, ta thấy rằng các pha hoặc được đấu thẳng vào nguồn hoặc bị nối ngắn mạch như hình 11. Do đó điện áp pha có dạng khác đi, dựa vào đồ thị UA ta xác định được điện áp hiệu dụng: Upha = = = (14) Hình 11: Sơ đồ thay thế chuyển mạch nghịch lưu áp ba pha kiểu đấu tam giác Trường hợp λ = 120o : theo biểu đồ dẫn của thyristor hình 12, mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn. Để xem xét ta vẫn thực hiện như khi xét trường hợp 180o khi động cơ đấu sao hay đấu tam giác. Hình 12: Biểu đồ điều khiển thyristor với góc dẫn λ = 120o V. Ví dụ ứng dụng: ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc có 2p = 4, điện áp pha định mức Uđm = 240V, tần số định mức 50Hz, được điều khiển bằng biến tần gián tiếp nguồn áp theo quy luật U/f = const. Hãy xác định điện áp và tần số ở ngõ ra của biến tần khi động cơ làm việc với tốc độ no = 900 vòng/phút ; 1200 vòng/phút; 1800 vòng/phút. Giải Động cơ được điều khiển với quy luật U/f = const nên ta có: Mặt khác tốc độ đồng bộ: Ứng với các giá trị khác nhau của n0 ta có các tần số và điện áp làm việc tương ứng của động cơ: 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 chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất của phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua biến tần. _ Chưa thật sự thực tế về vấn đề điều tốc xoay chiều vì biến tần gián tiếp nguồn áp chỉnh lưu có điều khiển hiệu suất thấp và nghịch lưu điện áp xoay chiều dùng thyristor chưa đáp ứng được với yêu cầu hoạt động tần số cao. _ Ví dụ ứng dụng chưa phong phú. * Nhận xét về đề tài: _ Điều tốc biến tần là vấn đề phức tạp nhưng là vấn đề thiết yếu phải tìm hiều khi mà khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử phát triền cùng với sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công suất đã thúc đẩy lĩnh vực truyền động điều tốc biến tần ngày càng chính xác, đáp ứng nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất. Tìm hiểu đề tài này thật sự hữu ích cho công việc thực tiễn sau này.