Nghiên cứu tổng quan về hệ truyền động điện xoay chiều ba pha. Đi sâu vào thiết kế bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha công suất nhỏ

ạo bộ nghịch nguồn áp 3 pha công suất nhỏ’’ Trong cuốn đồ án môn học này sẽ đề cập chi tiết từng bước tiến hành thiết kế chế tạo bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha công suất nhỏ . Nội dung đồ án bao gồm ba chương : -Chương I : Tổng quan về hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha -Chương II : Tính chọn các chi tiết trong mạch động lực -Chương III: Tính chọn các chi tiết trong mạch điều khiển Mặc dù vậy, do trình độ và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ của thầy giáo và các bạn sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn! 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 1.1. CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA - Hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha là tổ hợp các thiết bị điện, điện tử... phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của chúng ta. Hình1.1: Cấu trúc hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha. Giới thiệu các đối tượng trong hệ thống truyền động điện. 1. BBĐ: Bộ biến đổi dùng để biến đổi dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi pha, biến đổi tần số…. Các BBĐ thường dùng là các máy phát điện, hệ máy phát động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần… 3 a) Bộ biến đổi dòng điện. - Bộ biến đổi dòng điện gồm hai loại đó là loại biến đổi dòng xoay chiều thành một chiều và loại biến đổi dòng một chiều thành xoay chiều. Bộ biến đổi dòng xoay chiều thành 1 chiều. - Trong thực tể thì loại biến đổi từ dòng xoay chiều thành một chiều phổ biến hơn loại kia , lý do đơn giản là lưới điện quốc gia hoạt động là loại xoay chiều, vì vậy mà nguồn điện là có sẵn cho loại dạng này . Bộ biến đổi dòng xoay chiều lại chia ra nhiều loại để thích hợp với yêu cầu sử dụng thực tế, người ta chia ra : + Bộ biến đổi dòng xoay chiều thành 1 chiều giữ nguyên điện áp +Bộ biến đổi dòng xoay chiều thành 1 chiều hạ áp. +Bộ biến đổi dòng xoay chiều thành 1 chiều tăng áp. - Trên thực tế thì loại thứ hai và thứ ba là thông dụng trong sản xuất. Nguyên lý của các bộ biến đổi này đó là kết hợp sử dụng giữa máy biến áp với mạch công suất cầu diot, trisitor.. Một số hình ảnh về bộ biến đổi dòng xoay chiều thành 1 chiều Hình1.2 : Bộ chuyển đổi xoay chiều sang 1 chiều 4 Bộ biến đổi dòng một chiều thành xoay chiều - Loại này thì có ít trong thực tể hơn, chủ yếu có trong các hộ gia đình và các xưởng sản xuất cỡ nhỏ. Nguồn điện chủ yếu là acquy, Nguyên lý hoạt động cũng dưạ vào sử kết hợp giữa máy biến điện áp với hệ thống công suất cầu chỉnh lưu diot, trisitor. b) Bộ biến đổi loại nguồn - Bộ biến đổi loại nguồn gồm hai loại: + Biến đổi nguồn dòng thành nguồn áp + Biến đổi nguồn áp thành nguồn dòng Cả hai loại trên thường được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển, đặc biệt trong lĩnh vực vi điều khiển. Chủ yếu điện áp hoặc dòng lấy ra từ bộ biến đổi được sử dụng để làm tín hiệu điều khiển chứ không đóng vai trò là một nguồn điện cung cấp cho sản xuất. c) Bộ biến đổi pha - Thực tế thì có loai biến đổi ba pha thành một pha, hoặc biến đổi một pha thành ba pha tùy thuộc vào yêu cầu nguồn vào của máy sản xuất. Trong các xí nghiệp hiện nay người ta sử dụng bộ biến đổi pha này khá phổ biến. Do các cơ cấu sản xuất, động cơ có thể là một pha hay ba pha vì vậy mà các bộ biến đổi pha trở lên cần thiết. Mạng điện công nghiệp là mạng điện ba pha xoay chiều, vì vậy mà bộ biến đổi ba pha thành 1 pha được sử dụng khá nhiều ở các nhà máy. d) Bộ biến đổi là máy phát. - Hệ máy phát, động cơ (Hệ F_Đ), được sử dụng khá nhiều trong các nhà máy sản xuất công nghiệp. Để đề phòng trường hợp mất điện đột ngột khi nhà máy đang thực hiện quá trình sản xuất, ( Ví dụ đang nấu thép ở nhà máysản xuất thép), thì người ta sử dụng máy phát điện là nguồn dự phòng. 5 e) Bộ biến đổi tần số - Trong các nhà máy, xí nghiệp hiện đại hiện nay, sự xuất hiện của các bộ biến tần là một bước tiến lớn trong việc điều khiển tốc độ của động cơ điện. Với các tính năng thực sự hợp lý và hữu ích trong quá trình vận hành, sản xuất Bộ biến tần đã có mặt tại các dây truyền truyền động, điều khiển tự động. Với tính năng dễ dàng điều khiển, tiết kiệm điện năng bộ biến tần đã thay thế các bộ điều chỉnh đã lỗi thời. Trong đồ án tốt nghiệp này chúng em đã sử dụng biến tần MM420 của siemens để điều khiển tốc độ của động cơ Không đồng bộ xoay chiều ba pha. Hình 1.3: Biến tần MM420 2. Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hoặc cơ năng thành điện năng (khi hãm điện). Động cơ điện Đ tạo ra tốc độ quay, động cơ này sẽ được lai với cơ cấu sản xuất thông qua khâu truyền lực TL để thực hiện các yêu cầu sản xuất cụ thể. Động cơ điện có + Động cơ 1 chiều + Động cơ xoay chiều Trong động cơ xoay chiều lại chia ra gồm hai loại động cơ là động cơ xoay chiều đồng bộ và động cơ xoay chiều không đồng bộ (hay động cơ dị bộ). Động cơ không đồng bộ gồm có: +Động cơ KĐB 1 pha + Động cơ KĐB 3 pha Động cơ sử dụng trong đồ án là loại động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. 3. TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất, hoặc để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc), 6 hoặc là phù hợp về tốc độ, mô men, lực. Để truyền lực có thể dùng thanh răng, bánh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ… Khâu truyền lực là một khâu khá quan trọng trong hệ thống truyền động điện. Nó ảnh hưởng lớn tới năng suất sản xuất của hệ thống truyền động. Khâu truyền lực có chắc chắn, hoạt động ổn định thì công truyền từ động cơ Đ tới máy sản xuất mới đạt được hiệu quả cao. Ngược lại nếu khâu truyền lực không chắc chắn không những làm giảm năng suất sản xuất mà nó còn có thể gây nguy hiểm cho con người trong quá trình sản xuất, phá vỡ khâu truyền lực nếu như chúng không ăn khớp với nhau. Trong đồ án mô hình thì khâu truyền lực bao gồm Punis lắp trên đầu động cơ, dây cusroad, hệ thống phanh cơ, có thể phanh động cơ trong quá trình động cơ đang hoạt động. 4. CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng- hạ trọng tải, di chuyển). 5. ĐK: Khối điều khiển là các thiết bị điều khiển bộ biến đổi, động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực TL. Khối điều khiển bao gồm các thiết bị đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, các bộ điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các role, công tắc tơ), hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn). Trong đồ án hệ truyền động điện có ghép nối thêm với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, PLC, Các thiết bị đo lường, cảm biến (senso) lấy tín hiệu phản hồi. Thiết bị đo lường sử dụng trong đồ án hai củ phát một chiều làm nhiệm vụ là hai máy phát tốc, được lai với trục động cơ Đ thông qua khớp mềm để lấy tín hiệu phản hồi đưa về bộ điều khiển 7 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha gồm hai phần chính - Phần lực (mạch lực) : từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi BBĐ (biến tần) và động cơ điện truyền động Đ cho phụ tải (máy sản suất) . - Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành. Hệ truyền động điện có liên kết với máy tính điều khiển, PLC. Truyền động điện xoay chiều ba pha: Dùng động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha. Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha có ưu điểm là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo,vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên trước đây hệ truyền động động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha chiếm tỷ lệ rất nhỏ do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ . Trong những năm gần đây do sự phát triển của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các điểm mạnh của mình đặc biệt các hệ có điều khiển tần số. 8 1.2. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. a) Stator Hình 1.4 : Sơ đồ cấu tạo stato động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha 1: Lõi thép stator 6: Hộp dầu cực 2: Dây quấn stator 7:Lõi thép roto 3: Nắp máy 8: Thân máy 4: Ổ bi 9: Quạt gió làm mát 5: Trục máy 10: Hộp quạt 1- Lõi thép. Lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép ép vào trong vỏ máy. 2. Dây quấn stator. - Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo ra từ trường quay. 9 3. Vỏ máy. - Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bàng gang. a) b) Hình 1.5 : Kết cấu stator máy điện không đồng bộ a)Lá thép stator b) Lõi thép stator b) Rotor +Cấu tạo. - Rotor là phần quay gồm lõi thép dây quấn và trục máy. a) b) H1.5- a) Nguyên lý từ trường quay b) Cấu tạo roto lồng sóc 1. Lõi thép. - Lõi thép roto gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ bên trong lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục. 2. Trục. Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép roto. 10 3. Dây quấn rotor - Dây quấn roto của máy điện không đồng bộ có hai kiểu:roto ngắn mạch hay còn gọi là roto lồng sóc và roto dây quấn. Roto lồng sóc (h1.4- b) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn roto lồng sóc được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cách tản nhiệt và cachs quạt làm mát. Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và gắn chặt vào vành ngắn mạch. Roto dây quấn cũng như dây quấn ba pha stator có cùng số cực từ như dây quấn stator. Dây quấn kiểu này luôn đấu sao và có ba đầu ra đấu với ba vành trượt, gắn vào trục quay của roto và cách điện với trục. Ba chổi than cố định luon tỷ lệ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ. Hình1.5 : Cấu tạo máy điện không đồng bộ roto dây quấn 11 1.2.2. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ. - Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện; p là số cặp cực của máy, n1 là tốc độ từ trường quay bậc một). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi sắt roto, là cảm ứng trong dây quấn roto các sức điện động E2 .Do roto kí mạch nên rong dây quấn roto có một dòng điện I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn roto tác dụng với thừ thông khe hở sinh ra mômen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n cuẩ roto. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Sau đây chunngs ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ. Hệ số trượt s của máy: S= 1 1 n nn = 1 1 Như vậy khi n= n1 thì s = 0, còn n= 0 thì s =1 , Khi n > n1 , S< 0 và khi roto quay ngược chiều từ trường quay n 1 1. Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng tốc độ n< n1 (0 < s < 1) Hình1.7 : Quá trình tạo mômen quay của động cơ không đồng bộ. - Khi chiều quay n1 của từ trường khe hở của roto như hình 1.6a. theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sức điện động E2 và I2 , theo qui 12 tắc bàn tay trái xác định được F và momen M. Ta thấy F cùng chiều quay của roto nghĩa là điện năng đưa đến stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay roto theo từ trường quay n 1, như vậy máy làm việc ở chế độ động cơ. 2. Roto quay cùng chiều từ trường quay nhưng tốc độ n > n1 s < 0) - Dùng động cơ sơ cấp quay roto của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1. Lúc đó chiều cử từ trường quay quế qua dây quấn roto sẽ ngược lại sức điện động và dòng điện trong dây quấn roto cũng đổi chiều nên chiều của momen M cũng ngược chiều của n1, nghĩa là ngược chiều của roto, nên đó là mômen hãm như (hình 1.6-a). Như vậy máy đẫ biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ, do dộng cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện. nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy phát. 3. Rôto quay ngược chiều từ trường quay tức là tốc độ n 1) - Vì nguyên nhân nào đó rôt của máy điện quay ngược chiều từ trường quay như hình 1.6 -c , lác này chiều sức điệc động, dòng điện và momen giống như ở chế độ động cơ. Vì momen sinh ngược chiều quay với roto nên có tác dụng hãm roto lại. Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng từ lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc như vậy gội là chế độ hãm điện từ 1.2.3. Phƣơng trình đặc tính cơ động cơ KĐB. - Khi coi ba 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 phía 1 pha stator với các đại lượng mạch roto đã được quy đổi về stator. 13 Hình 1.8 : Sơ đồ thay thế động cơ KĐB. - Khi cuộn dây stator được cấp điện áp định mức U đmph,1 trên 1 pha mà giữ nguyên roto không quay thì mỗi pha của cuộn dây roto sẽ xuất hiện 1 sức điện động E đmf ,2 , theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số quy đổi của sức điện động là: kE = đmph đmph E E ,2 ,1 (1-3) Từ đó ta có hệ số quy đổi dòng điện: kI = Ek 1 (1-4) Và hệ số quy đổi trở kháng: kR = kX= I E k k = kE 2 (1- 5) - Với các hệ số quy đổi này, các đại lượng điện ở mạch roto có thể quy đổi về mạch stator theo cách sau: - Dòng điện: I2’=k I .I2 - Điện kháng: X2’=k X .X2 - Điện trở: R2’=k R .R2 Trên sơ đồ thay thế ở (hình 1.4) các đại lượng khác là: Io – Dòng điện từ hóa của động cơ. R m ,X m - Điện trở, điện kháng mạch từ hóa. 14 I 1 - Dòng điện cuộn dây stator. R 1 ,X 1 - Điện trở, điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện roto quy đổi về mạch stator có thể tính từ sơ đồ thay thế: I ' 2 = 2 21 22 1 1 )'() ' ( XX s R R u ph (1 - 6) Khi đông cơ hoạt động, công suất điện từ P 12 từ stator chuyển sang roto thành công suất cơ P co đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt P2 đốt nóng cuộn dây. P12= Pcơ+ P2 (1-7) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mômen điện từ Mđt của động cơ bằng mômen cơ M cơ : Mđt = Mcơ =M (1-8) Từ đó : P12 = M. o = M. + P2 (1-9) Suy ra: M= o p2 = os p2 (1-10) Công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha: P2 =3.R’2.I’2 2 (1-11) Thay vào phương trình tính mômen ta có được: M = nm ph X s R Ros RU 2 2 2 1 21 2 ' '3 (1-12) Trong đó: Xnm=X1+X2’ :là điện kháng ngắn mạch - Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f [s( )] gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Với các giá trị khác nhau của s (0 s 1), phương trình đặc tính cơ cho ta giá trị tương ứng của M Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ KĐB. 15 Hình 1.9: Đặc tính cơ động cơ KĐB. - Đường biểu diễn M = f(s) trên hệ trục SOM như hình H2.4 , là đường đặc tình cơ của động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Đường đặc tính có điện cực trị gọi là điểm tới hạn K, tại điểm đó ds dM =0 Giải phương trình ta có : sth = nmXR R 2 1 2 2' (1 -13) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: Mth = 2 1 2 1 1 2 2 3 nm ph XRRos U (1-14) Vì ta đang xét với 0 s 1 nên sth và Mth chỉ mang dấu ( + ). - Ta nhận thấy đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là a đường cong phức tạp và có hai đoạn AK và KB, phân giới bởi điểm tới hạn K. Đoạn đặc tính AK gần như thẳng và cứng. trên đoạn này mômen động cơ tăng thì tốc độ động cơ giảm , do vậy động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định Đoạn KB cong với độ dốc dương, trên đoạn đặc tính này động cơ làm việc không ổn định. 1.2.4. Đặc tính cơ của máy sản suất. 16 Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữ tốc độ quay và momen quay. = f(M) hoặc n=F(M) (1-15) -Trong đó: : Tốc độ góc (rad/s) n : Tốc độ quay (vòng/phút) M : Mômen quay (N.m) - Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của máy sản xuất Mc =f( ) Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được biểu diễn dưới dạng biểu thức tổng quán: Mc= M cơ + (M đm - M cơ)( đm ) (1-16) Mc: Mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ . Mco: Mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ =0 M đm : Mômen cản của cơ cấu sản xuất ứng với tốc độ định mức đm Hình1.10 : Đặc tính cơ của máy sản xuất ứng với các trường hợp máy sản xuất khác nhau. Bảng 1: Các trường hợp số mũ q tương ứng các trường hợp tải. 17 1.3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi giá trị điện trở phụ trong mạch roto. - Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ roto dây quấn và được ứng dụng rất rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp. Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng như hình dưới đây: Hình1.11 – Phương phá điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto - Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm 18 Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự lên xuống của mômen tải. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số momen tải. Mômen tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng hẹp. Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn . Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp. 1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stator. - Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số. Điện áp cấp cho động cơ lấy từ bộ biến đổi điện áp xoay chiều. BBĐ điện áp có thể là biến áp tự ngẫu hoặc một bộ biến đổi điện áp. Hình dưới đây là sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm. Hình1.12 – Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stator. 19 Nhận xét: - Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theo mômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ mạch roto để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh lớn hơn. Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì độ cứng của đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi. 1.3.3.Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các thay đổi tần số của nguồn xoay chiều. - Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thay đổi được đặc tính cơ. Tấn số càng cao thì tốc độ đôngj cơ càng lớn. Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các đại lượng liên quan đến tần số như cảm kháng thay đổi, do đó dòng điện, từ thông … của động cơ cũng bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, momen tới hạn cũng bị đổi.Chính vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn thường kéo theo thay đổi điện áp, dòng điện hoặc từ thông mạch stator. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức, cảm kháng của động cơ cũng giảm và dòng điện động cơ tăng lên. Tần số giảm dòng điện càng lớn momen tới hạn càng lớn. Để tránh động cơ bị qua dòng, phải tiến hành giảm điện áp sao cho f U ~const . Đó là luật điều chỉnh tần số- điện áp. Khi f > f đm ta không thể tăng điện áp U > U đm nên đặc tính cơ không giữ được mômen tới hạn. Đây là phương pháp được sử dụng trong đồ áp tốt nghiệp này. Việc điều chỉnh giá trị tần số cấp cho động cơ thực hiện nhờ biến tần MM420 của hãng Seamen. 20 1.3.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng việc thay đổi số cặp cực của động cơ. - Đây là cach điều chỉnh tốc độ có cấp. Đặc tính cơ thay đổi và tốc độ đồng bộ ( p f o 2 ) thay đổi theo số đôi cực. Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator có thể thay đổi được một cách tương ứng với các số đôi cực khác nhau . Các đầu dây để đổi nối được đưa ra hộp đấu dây ở vỏ động cơ. Số đôi cực của roto cũng phải thay đổi như cuộn dây stator. Điều này khó thực hiện đối với động cơ roto dây quấn, còn đối với động cơ roto lồng sóc thì nó lại có khả năng tự thay đổi số đôi cực ứng với stator. Do vậy phương pháp này được thực hiện chủ yếu đối với động cơ roto lồng sóc. Các động cơ chế tạo có sẵn các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôi cực. Tỷ lệ thay đổi số đôi cực có thể là 2:1, 3:1 hoặc 4:1. 1.4. CÁC TRẠNG THÁI LÀM VIỆC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA - Trong hệ truyền động điện tự động bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. - Ở trạng thái động cơ: Ta coi dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điện thành công suất cơ: Pcơ = M. cấp cho máy sản xuất và được tiêu thụ tại cơ cấu công tác của máy. Công suất cơ này có giá trị dương nếu như mômen động cơ sinh ra cùng chiều với tốc độ quay. - Ở trạng thái máy phát: thì ngược lại, khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích lũy trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Công suất điện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn, công suất cơ có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều với tốc độ quay. 21 Mômen của máy sản xuất được gọi là mômen phụ tải hay mômen cản. Nó cũng được định nghĩa dấu âm và dương, ngược lại với dấu mômen của động cơ. + Phương trình cân bằng công suất của hệ TĐĐ KĐB xoay chiêu 3 pha là: P = Pc + Pđ Trong đó: Pđ là công suất điện. Pc là công suất cơ. P là tổn thất công suất. - Trạng thái động cơ gồm: chế độ có tải và chế độ không tải. Trạng thái động cơ phân bố ở góc phần tư I, III của mặt phẳng (M). - Trạng thái hãm có: Hãm không tải, Hãm tái sinh, Hãm ngược và Hãm động năng. Trạng thái hãm ở góc II, IV của mặt phẳng (M). - Hãm tái sinh: Pđiện < 0, Pcơ < 0, cơ năng biến thành điện năng trả về lưới. - Hãm ngược: Pđiện > 0 , Pcơ < 0, điện năng P và cơ năng chuyển thành tổn thất. - Hãm động năng: Pđiện = 0, Pcơ < 0, cơ năng P biến thành công suất tổn thất. 1.5. ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG - Khi M = Mc thì hệ TĐĐ làm việc xác lập. Điểm làm việc xác lập là giao điểm của đặc tính cơ của động cơ điện (Mc) . với đặc tính cơ của máy sản suất (M) . Tuy nhiên không phải bất kỳ giao điểm nào của hai đặc tính cơ trên cũng là điểm làm việc xác lập ổn định mà phải có điều kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ với tải. Để xác định điểm làm việc, dựa vào phương trình động học: j dt d = ( M - Mc ).( c ) (1-17) 22 Người ta xác định được điều kiện ổn định là: ( M - Mc ) <0 (1-18) Hay : ( c ) >0 (1-19) 1.6. MỘT SỐ DẠNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA a) Hệ truyền động theo hệ hở Hình 1.13 - Cấu trúc hệ truyền động theo hệ hở b) Hệ truyền động hệ kín. Hình 1.14 - Cấu trúc hệ truyền động hệ kín - Trong đó: + THĐ : Tín hiệu đặt R: Bộ điều chỉnh BĐ: Bộ biến đổi M: Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Mx: Máy sản xuất NL: Nhiễn loạn ĐL: Thiết bị đo lường, Cảm biến 23 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1. BỘ NGHỊCH LƢU Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu có thể là thyristo hoặc tranzito .Nhưng phù hợp và ưu việt hơn ta dùng tranzito . Ưu điểm dễ thấy là bỏ được chuyển mạch cưỡng , hơn nữa tổn hao đổi chiêu nhỏ hơn . Bộ nghịch lưu dùng tranzito có kích thước nhỏ và nhẹ hơn bộ nghich lưu tương đương dùng thyristo . Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục vào cực gốc trong chu kì dẫn của tranzito , một khuyết điểm nữa là điện áp thấp hơn của thyristo . Tuy nhiên dùng tranzito mở rộng đươc phạm vi và phát huy các ưu điểm hơn thyrsto do cải thiện được đại lượng định mức và giá thành. Vì vậy, dưới dây chủ yếu xem xét nghich lưu điện áp sơ đồ câu dùng van an toàn . 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý và quá trình chuyển mạch : Tụ C0 có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi , mặt khác nó trao đổi năng lượng phản kháng với cuộn cảm . Phương pháp điều khiển các van tranzisto thong thường nhất là điều khiến cho góc mở của van là α = và α = . Ở đây ta xét góc dẫn tới tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác định điện áp trên tải trong từng khoảng 24 thời gian (vì cứ có sự chuyển trạng thái mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi như là thông mạch . Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu song song nhau . Do vậy điện áp trên tải sẽ chỉ có gia trị là /3(khi một pha đấu song song , với 1 trong 2 pha còn lại) hoặc 2 /3. Với giả thiết là tải đối xứng. Nguyên tắc chuyển mạch : Cho góc mở của mối tranzisto là và cứ tiếp theo (kể từ khi tranzisto trước đó mở thì cho 1 tranzisto khác mở ) . Như vậy trong cùng 1 thời gian có 3 trazisto mở . Bảng trạng thái mở các tranzisto : Xét quá trình chuyển mạch từ T5 sang T2 tương ứng khoảng từ ( ÷ sang ( ÷ ) Trong khoảng ( ÷ thì T1 , T5 , T6 , dẫn . Chiều dòng điện trên tải được xác định theo chiều mũi tên , đến thời điểm thì đảo trạng thái từ T5 sang T2 . Do trên tải Zc mang tính cảm kháng nên dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lượng tích lũy trong Zc duy trì theo chiều cũ một thời gian , lúc đó buộc dòng điện duy trì phải thoát qua diode , qua tải về âm nguồn đến lúc dòng điện đổi chiều sẽ mang dòng duy trì thì khóa . Quá trình chuyển mạch kết thúc . Cũng lý luận tương tự ta được chuyển mạch h.b đến h.e . 25 26 2.1.2 . Dạng sóng mạch nghịch lƣu : 27 Ta tính điện áp trên từng pha trên tải , trước tiên là pha a Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Trong khoảng ÷ ( h.a) : = Tương tự ta tính được pha b , c . Bảng chuyển trạng thái của diode : 2.1.3. Tính toán và chọn các phần tử trong mạch nghịch lƣu : Ta cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc : Công suất định mức: = 1 kW, Tốc độ định mức n = 1450 ( v/p) Hệ số góc cos φ = 0.95. Điện áp lưới : 220/380 v. Hiệu suất : = 0.9 Hệ số quá tải : = 1.8 = = = 1111.1 (W) 28 cos φ = = = 1.77 (A) = *0.95=117.9 (Ω) a. Tính chọn tranzisto : Điện áp pha cực đại của động cơ : = 220* = 311.1 (V) Điện áp đầu vào bộ nghịch lưu: = nên = *311.1 = 466.7 (V) Vậy điện áp ngược đặt lên mỗi tranzisto : = = 466.7 (V). Chọn hệ số quá áp của tranzisto là = 1.6, thì cần phải chọn trazisto chịu được áp ngược là : = =1.6*466.7 = 746.72 (V) Vì tải đấu hình sao nên dòng qua mỗi Transisto lúc cực đại bằng dòng chỉnh lưu : = = =1.77* = 2.5 (A) Với hệ số qua dòng = 1.2 , do đó ta phải chọn tranzisto chịu được dòng : = = 1.2*2.5 = 3 (A) Căn cứ vào kết quả trên , theo bảng I.2 Tranzisto công suất trang 18, sách điện tử công suất của Nguyễn Bính . Tranzisto đã chọn có mã hiệu BUX -47 Có thông số sau : = 850 V : Điện áp cực đại khi cực bazơ bị khóa bởi điện áp âm = 400 V : Điện áp khi cực bazơ để hở . = 1.5 V : Điện áp khi tranzisto ở trạng thái bão hòa . =9 A : Dòng colectơ mà tranzisto có thể chịu được . = 1.2 A : Dòng bazơ mà tranzisto có thể chịu được . 29 = 0.8 :Thời gian cần thiết để , từ giá trị giảm xuống 0 . = 3 : Thời gian cần thiết để từ giá trị tăng đến điện áp nguồn . = 125 W : Công suât tiêu tán cực đại bên trong tranzisto . b . Tính chọn diode : Dòng điện pha tải có 3 đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ : 0 ÷ = [1- ] (1) ÷ = [1- ] (2) ÷ = [1- ] (3) Với Q = = tag φ = 0.33 a = = = 0.36 Tại = , dòng quá tải pha A bằng 0 : = 0 Từ (1) ta có : = [1- ] =0 = ln ⇒ = ln = ln = 0.25 ⇒ = Trạng thái chuyển mạch Diode , tại thời điểm = 0 , Diode dẫn và dòng qua diode cũng là dòng quá tải, lúc này dòng qua diode cũng là dòng cực đại của diode : = (0) = ] = ] = 1.49 (A) Nếu chọn hệ số quá tải dòng điện qua diode là 1.2 thì diode chọn phải chịu dòng là : 30 = 1.2* 1.49 = 1.8 ( A ) Điện áp ngược đặt lên mỗi diode là : = = = *466.7 = 311.2 (v) Chọn hệ số quá áp là = 1.6 thì Diode chọn phải chịu điện áp ngược là : = =1.6*311.2 = 498 (V) Ta chọn Diode loại B10 của Liên Xô theo bảng I1 trang 11 Sách Điện Tử Công suất của Nguyễn Bính . c. Tính chọn tụ : = cotg = = = 3.03 Trong nghịch có 3 pha không tải lúc nào cũng cần tụ khi nguồn là mạch nghịch lưu . Nếu ta có tỉ số > 0.66 thì không cần tụ và dòng do điện cảm tải pha này sẽ không trả về nguồn mà chạy qua pha khác ( quẩn trong hệ ba pha tải ) Trường hợp tỷ số 0.66 ta cần đưa tụ vào với hệ số là : = (2ln 2 – 1) thường lấy = 0.1 Mà = 3.03 ⇒ = ⇒ = (2ln 2 – 1) = (2ln 2 – 1) = (2ln 2 – 1) = 3.6* ._.