Trang bị điện điện tử cần trục 120 tấn nhà máy đóng tàu bạch đằng. Đi sâu nghiên cứu hệ thống cấp nguồn và cơ cấu di chuyển chân đế

ĐỀ TÀI: Trang bị điện - điện tử cần trục 120 tấn. Đi sâu nghiên cứu hệ thống cấp nguồn và cơ cấu di chuyển chân đế. Sinh viên: NguyÔn TiÕn §¹t GVHD: Th.S TrÇn ThÞ Ph­¬ng Th¶o LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm vừa qua rất nhiều máy móc và dây truyền hiện đại phục vụ ngành công nghiệp đóng tàu được nhập về. Tổng công ty CNTT Bạch Đằng cái nôi của ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam cũng nằm trong xu hướng phát triển đó. Rất nhiều máy móc thiết bị hiện đại đã và đang được Tổng công ty nhập về trong đó đáng quan tâm nhất lá các cần cẩu có sức nâng lớn. Hầu hết các hệ thống này đều sử dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC, nó có khả năng tự động hóa và tối ưu điều khiển rất cao. Thiết bị điều khiển khả trình PLC đã và đang được áp dụng rãi trong các dây chuyền sản xuất, nó làm giảm giá thành công nghệ, giảm độ phức tạp của mạch điều khiển, có khả năng làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên nó cũng đòi hỏi đội ngũ kĩ sư và công nhân kỹ thuật lành nghề để vận hành hệ thống an toàn cho con người và cho thiết bị cũng như đạt năng suất và hiệu quả cao nhất. Sau quá trình học tập tại trường em được giao đề tài tốt nghiệp: “Trang bị điện điện tử cần trục 120 tấn nhà máy đóng tàu Bạch Đằng. Đi sâu nghiên cứu hệ thống cấp nguồn và cơ cấu di chuyển chân đế.” Bố cục của đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về động cơ điện xoay chiều và hệ truyền động điện xoay chiều. Chương 2: Tổng quan về nhà máy đóng tàu Bạch Đằng. Chương 3: Trang bị điện - điện tử cần trục 120 tấn. Đi sâu nghiên cứu hệ thống cấp nguồn và cơ cấu di chuyển chân đế. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1.1. MỞ ĐẦU Động cơ điện xoay chiều là máy điện xoay chiều khi nó làm việc ở chế độ động cơ. Ở chế độ này máy điện nhận điện năng từ lưới điện và biến điện năng thành cơ năng để chuyển ra tải. Đối với động cơ không đồng bộ thì tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường, quay cùng chiều với từ trường. Nhưng đối với động cơ đồng bộ thì tốc độ quay của roto bằng tốc độ quay của từ trường quay. 1.2. ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU [1] 1.2.1. Động cơ điện dị bộ 1. Cấu tạo Động cơ điện không đồng bộ có thể là loại một pha hoặc nhiều pha. Có công suất từ một vài W tới vài MW, có điện áp từ 100V đến 6000V. Hình 1.1. Lá thép stato và roto máy điện dị bộ 1- Lá thép stato, 2-Rãnh, 3- Răng; 4- Lá thép roto Căn cứ vào cách thực hiện roto, người ta phân biệt 2 loại: Loại có roto ngắn mạch và loại roto dây quấn. Cuộn dây roto dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều. Cuộn dây roto ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch từ roto, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh. Động cơ roto ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền, còn động cơ điện không đồng bộ roto dây quấn thì đắt tiền hơn, nặng hơn nhưng có tính năng động tốt hơn, do có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh. Cấu tạo stato Stato gồm hai phần cơ bản: Mạch từ và mạch điện Cấu tạo roto Mạch từ: Mạch từ của roto cũng gồm các lá thép kỹ thuật ghép cách điện với nhau. Rãnh của roto có thể song song với trục hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao. Các lá thép kỹ thuật được gắn với nhau thành hình trụ, ở tâm lá thép mạch từ được đục lỗ để xuyên trục, roto gắn trên trục. Ở những máy có công suất lớn roto còn đục rãnh thông gió dọc thân trục roto. Mạch điện: Được chia làm hai loại roto lồng sóc và roto dây quấn. Loại roto lồng sóc (ngắn mạch): Mạch điện của loại roto này được làm băng nhôm hoặc đồng thau. Nếu làm bằng nhôm thì được đúc trực tiếp vào rãnh roto, hai đầu được đúc hai vòng ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì được làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh, hai đầu được gắn với nhau bằng hai vòng ngắn mạch cùng kim loại. Loại roto ngắn mạch không phải thực hiện cách điện giữa dây dẫn và lõi thép. Loại roto dây quấn: Mạch điện của loại roto này thường làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống như cách thực hiện cuộn dây ở máy điện xoay chiều. Cuộn dây roto dây quấn có số cặp cực và pha cố định. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ Để xét nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ, ta lấy mô hình máy phát điện ba pha gồm 3 cuộn dây đặt cách nhau trên chu vi máy điện một góc 1200, roto là cuộn dây ngắn mạch. Khi cung cấp vào 3 cuộn dây 3 dòng điện của hệ thống điện 3 pha có tần số là f1 thì trong máy điện sinh ra từ trường quay với tốc độ 60f1/p. Từ trường này cắt thanh dẫn của roto và stato sinh ra ở cuộn stato sđđ tự cảm e1 và ở cuộn dây roto sđđ cảm ứng e2 có giá trị hiệu dụng như sau: E1 = 4,44W1Φf1kcd (1.1) E2 = 4,44W2Φf1kcd Do cuộn roto kín mạch, nên sẽ có dòng điện chạy trong các thanh dẫn của cuộn dây này. Sự tác động tương hỗ giữa dòng điện chạy trong dây dẫn roto và từ trường, sinh ra lực, đó là ngẫu lực (2 thanh dẫn nằm cách nhau đường kính roto) nên tạo ra momen quay. Momen quay có chiều đẩy stato theo chiều chống lại sự tăng từ thông móc vòng với cuộn dây. Nhưng vì stato gắn chặt còn roto gắn trên ổ bi do đó roto phải quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tuy nhiên tốc độ này không thể bằng tốc độ quay của từ trường, bởi nếu n = ntt thì từ trường không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có sđđ cảm ứng nữa, E2 = 0 dẫn đến I2 = 0 và momen quay cũng bằng không, roto quay chậm lại, khi roto quay chậm lại thì từ trương lại cắt các thanh dẫn, nên có sđđ, có dòng và momen nên roto lại quay. Do tốc độ quay của roto khác tốc độ quay của từ trường nên xuất hiện độ trượt và được định nghĩa như sau: % (1.2) Do đó tốc độ quay của roto có dạng: n = ntt(1-s) (1.3) Do n ≠ ntt nên (ntt-n) là tốc độ cẳt các thanh dẫn roto của từ trường quay. Vậy tần số biến thiên của sđđ cảm ứng trong roto biểu diễn bởi: f2 = = sf1 (1.4) Khi roto có dòng I2 chạy, nó cũng sinh ra một từ trường quay với tốc độ: ntt2 = = = sntt (1.5) So với một điểm không chuyển động của stato, từ trường này sẽ quay với tốc độ: ntt2s = ntt + n = sntt + ntt(1-s) = ntt (1.6) Như vậy so với stato, từ trường quay của roto có cùng giá trị với tốc độ quay của từ trường stato. 3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đặc tính cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen điện từ của động cơ n = f(M). Đặc tính cơ tự nhiên: đây là đặc tính cơ được xây dựng khi các thông số của máy như điện áp, điện trở, tần số có giá trị định mức. Đặc tính cơ nhân tạo: là đặc tính cơ khi có một trong các thông số trên thay đổi, các thông số khác không đổi. Hình 1.2. Đặc tính cơ động cơ dị bộ Hình 1.3. Đặc tính cơ nhân tạo động cơ dị bộ a-khi p = var, b-khi f = var, c-khi R2 = var, d-khi U1 = var 1.2.2. Động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ là máy điện đồng bộ sau khi hòa đồng bộ vào lưới điện có thể làm việc như một động cơ phụ thuộc tải. Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của roto bằng tốc độ quay của từ trường. Hầu hết các máy điện đồng bộ làm việc như máy phát có tần số 50Hz đến 60Hz. Máy điện đồng bộ cũng có thể làm việc như một động cơ công suất lớn. Để nghiên cứu tổng quan về động cơ đồng bộ ta đi xét máy điện đồng bộ. 1. Cấu tạo Căn cứ chức năng mà người ta có thể chia máy điện đồng bộ ra làm hai phần: phần cảm và phần ứng. Phần cảm tạo từ trường chính (phần kích từ) Phần ứng thực hiện biến đổi năng lượng Cấu tạo phần tĩnh (stato) Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như hình 1.5, cuộn dây kích từ được quấn quanh cực từ. Hình 1.4. Lõi thép phần cảm ở stato Nếu stato là phần ứng thì lá thép giống như lá thép stato của máy điện không đồng bộ (hình 1.1). Ngoài mạch từ là vỏ bằng gang, cấu tạo của máy đồng bộ lúc này giống như máy điện dị bộ, nhưng vỏ của nó lại không có gân tản nhiệt. Cấu tạo phần động (roto) Nếu roto là phần cảm thì chia làm hai loại: Roto cực ẩn Roto cực hiện Hình 1.5. Roto của máy điện đồng bộ a-roto cực ẩn, b-roto cực hiện Hình 1.6. Mô hình máy đồng bộ không chổi than 2. Nguyên lý hoạt động Để đơn giản ta xét nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ ba pha hai cực. Cuộn dây phần ứng đặt ở stato, còn cuộn kích từ đặt ở roto. Cuộn kích từ được nối với nguồn kích từ (dòng một chiều) qua hệ thống chổi than. Để nhận được điện áp ba pha trên chu vi stato ta đặt ba cuộn dây cách nhau 1200. Dòng điện một chiều tạo ra từ trường không đổi. Bây giờ ta gắn trục roto vào máy lai và quay roto với tốc độ n. Ta được một từ trường quay tròn có từ thông chính Φ khép kín qua roto, cực từ và lõi thép stato (hình 1.8). Từ thông của từ trường quay cắt các thanh dẫn phần ứng, làm xuất hiện trong ba cuộn dây ba sđđ: eA = Emsinωt (1.7) eB = Emsin(ωt - ) eC = Emsin(ωt + ) Trong đó tần số biến thiên của các sđđ biểu diễn bằng ω = 2πf. Nếu số cặp cực là p thì tấn số biến thiên f của dòng điện sẽ là: f = Hz (1.8) Ta nhận thấy tần số biến thiên của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ quay của roto và số đôi cực. Nếu bây giờ ta tải ba pha của máy điện bằng ba tải đối xứng, ta có dòng ba pha đối xứng. Theo nguyên lý tạo từ trường quay nên trong máy phát đồng bộ lúc này cũng xuất hiện từ trường quay mà tốc độ xác định bằng biểu thức: ntt = (1.9) Thay (1.8) vào (1.9) ta có n = ntt. Như vậy ở máy đồng bộ tốc độ quay của roto bằng tốc độ quay của từ trường tải. Hai từ trường này ở trạng thái nghỉ với nhau. Hình 1.7. Giải thích nguyên lý hoạt động của máy đồng bộ 3. Đặc tính cơ Ưu điểm của động cơ đồng bộ là có độ ổn định cao, hệ số cosφ và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao. Hình 1.8. Đặc tính cơ Trong phạm vi momen cho phép M ≤ Mmax, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng đặc tính cơ β = ∞. Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ được trình bày trên hình 1.8. 1.3. KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU [1] 1.3.1. Khởi động động cơ không đồng bộ 1. Khởi động động cơ roto dây quấn Đối với động cơ không đồng bộ roto dây quấn để giảm dòng khởi động ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch roto. Lúc này dòng ngắn mạch có dạng: Ingm = (110) Việc đưa điện trở phụ Rp vào mạch roto ta được hai kết quả: làm giảm dòng khởi động nhưng lại tăng momen khởi động. Bằng cách lựa chọn Rp ta có thể đạt được momen khởi động bằng momen cực đại. Khi mới khởi động, toàn bộ điện trở khởi động được đưa vào roto, cùng với tăng tốc độ roto, ta cũng cắt dần điện trở khởi động ra khỏi roto để khi tốc độ đạt đến giá trị định mức, thì điện trở khởi động cũng được cắt hết ra khỏi mạch roto, roto bây giờ là roto ngắn mạch. 2. Khởi động động cơ roto lồng sóc Với động cơ roto lồng sóc do không thể đưa điện trở vào mạch roto như động cơ không đồng bộ roto dây quấn, để giảm dòng khởi động ta thực hiện các biện pháp như sau: Giảm điện áp Để giảm điện áp khi khởi động người ta dùng các phương pháp như là: dùng cuộn kháng, dùng biến áp tự ngẫu, thực hiện đổi nối sao – tam giác. Ưu điểm của phương pháp khởi động bằng cuộn kháng là thiết bị đơn giản, nhưng nhược điểm là khi giảm dòng mở máy thì momen mở máy giảm xuống bình phương lần. So với phương pháp trên thì phương pháp khởi động bằng biến áp tự ngẫu với cùng một dòng khởi động lấy từ lưới ta sẽ có momen mở máy gấp hơn 2 lần. Đây cũng chính là ưu điểm của phương pháp dùng máy biến áp tự ngẫu để hạ điện áp. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là làm cho hệ thống truyền động điện cồng kềnh do đó tốn diện tích mặt bằng, giá thành đắt (dùng máy biến áp tự ngẫu)... Phương pháp mở máy Y - D tương đối đơn giản nên được dùng khá rộng rãi đối với những động cơ điện khi làm việc đấu tam giác. Hình 1.10. Khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu Hình 9. Khởi động bằng cuộn kháng Hình 1.11. Khởi động Y-D Hình 1.12. Đặc tính cơ và dòng điện khi khởi động Y-D Các phương pháp này đều có chung một đặc điểm là cùng với việc giảm dòng khởi động thì momen khởi động cũng giảm. Vì momen khởi động tỷ lệ với bình phương điện áp nguồn cung cấp nên khi giảm điện áp thì momen giảm theo tỷ lệ bình phương. Việc thực hiện đổi nối sao – tam giác chỉ thực hiện được với những động cơ khi làm việc bình thường thì cuộn dây stato nối tam giác. Do khi khởi động cuộn dây stato nối sao, điện áp đặt lên stato nhở hơn lần khi chuyển sang nối tam giác, dòng điện giảm đi , momen giảm đi 3 lần. Khi khởi động bằng biến áp, nếu hệ số của biến áp là ku, thì điện áp trên trụ đấu dây của động cơ sẽ giảm ku lần so với điện áp định mức, dòng khởi động giảm đi ku lần và momen sẽ giảm đi ku2 lần. Tất cả các phương pháp khởi động bằng giảm điện áp, chỉ thực hiện với những động cơ khởi động nhẹ, còn những động cơ khởi động nặng thì người ta lại khởi động bằng phương pháp “nhớm” hoặc dùng phương pháp khởi động mềm. Khởi động bằng phương pháp tần số Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay người ta đã chế tạo được các bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó có thể áp dụng phương pháp khởi động bằng tần số. Nếu ta bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato (bỏ qua R1và X1) ta có: U1 = E1 = 4,44f1W1kcdf (1.1) hay U1 =cf1f (1.12) Từ biểu thức này ta thấy thay đổi f1 mà giữ U1 =const thì từ thông sẽ thay đổi. Việc thay đổi từ thông làm giảm điều kiện công tác của máy điện, thay đổi hệ số cosj1, thay đổi hiệu suất và tổn hao lõi thép, do vậy khi thay đổi tần số phải giữ cho từ thông không thay đổi. Muốn giữ cho từ thông không đổi thì khi thay đổi tần số ta phải thay đổi điện áp đảm bảo sự cân bằng của mối quan hệ giữa tần số và điện áp. Tức là luôn giữ cho (1.13) Hình 1.13. Đặc tính momen khi tần số nguồn thay đổi Hình 1.14. Đặc tính cơ và dòng điện của động cơ không đồng bộ khi khởi động bằng phương pháp thay đổi tần số Thực chất của phương pháp là: khi động cơ được cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp nguồn cung cấp nhở rất nhỏ, sau đó khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt định mức thì tốc độ động cơ cũng đạt giá trị định mức. Phương pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động không vượt quá dòng định mức. 3. Khởi động động cơ không đồng bộ có rãnh sâu và 2 rãnh Như ở trên đã nêu dòng điện mở máy phụ thuộc vào điện trở roto. Ta tăng điện trở roto bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch roto. Việc này được thực hiện dễ dàng với động cơ roto dây quấn nhưng lại là việc không thể thực hiện được đối với động cơ roto lồng sóc. Để cải thiện khởi động động cơ roto lồng sóc người ta đã thay đổi cấu tạo của động cơ này. Động cơ roto lồng sóc hai rãnh Để cải thiện khởi động đối với động cơ không đồng bộ lồng sóc, người ta chế tạo động cơ lồng sóc hai rãnh: rãnh công tác làm bằng vật liệu bình thường, còn rãnh khởi động làm bằng vật liệu đồng thau là kim loại có điện trở riêng lớn (Hình 1.15). Từ hình vẽ ta thấy rằng, độ dẫn từ của từ thông tản rãnh dưới lớn hơn của rãnh ngoài (trên). Như vậy trở kháng của các rãnh này rất khác nhau: trở kháng của rãnh dưới lớn hơn trở kháng của rãnh trên rất nhiều. Khi mới bắt đầu khởi động (s=1) trở kháng của rãnh dưới lớn, nên dòng điện bị đẩy lên rãnh trên, dòng điện chạy trong nó nhỏ. Ở rãnh trên điện kháng nhỏ nhưng điện trở thuần lại lớn, kết quả lại làm cho dòng khởi động nhỏ - đó là hậu quả của việc đưa thêm điện trở vào rotor. Khi tốc độ roto tăng lên, s giảm đi, trở kháng rãnh dưới giảm, dòng điện lại chạy từ rãnh trên xuống rãnh dưới. Khi tốc độ đạt giá trị định mức, thì dòng điện chạy trong thanh trên rất nhỏ. Như vậy thanh trên chỉ hoạt động khi khởi động lên gọi là thanh khởi động. Hình 1.16. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ hai rãnh Hình 1.15. Động cơ roto lồng sóc hai rãnh 1-rãnh khởi động, 2-rãnh công tác Để xác định đặc tính cơ của động cơ hai rãnh, ta giả thiết rằng hai rãnh hoạt động độc lập với nhau. Rãnh trên có điện trở lớn nên đặc tính cơ là đặc tính 1 (hình 1.18), còn rãnh dưới có đặc tính cơ như đường số 2. Tổng của hai đặc tính là của động cơ hai rãnh (đường 3). Động cơ roto lồng sóc rãnh sâu Động cơ rãnh sâu có cấu trúc khác với động cơ rãnh thường. Chiều cao h của rãnh động cơ rãnh sâu thường gấp 15 – 20 lần chiều rộng của rãnh (hình1.17). Rãnh có nhiều dạng khác nhau: chữ nhật, hình thang hay hình tròn dưới, trên chữ nhật... Hình 1.17. a-Rãnh của động cơ lồng sóc rãnh sâu b-Sự phân bố độ dẫn từ theo chiều cao rãnh, c-Độ phân bố mật độ dòng điện Trên hình 1.18 biểu diễn đặc tính momen và dòng điện của động cơ rãnh sâu, còn trên hình 1.19 biểu diễn đặc tính cơ của hai loại động cơ: lồng sóc thường và lồng sóc rãnh sâu. Do động cơ lồng sóc rãnh sâu có momen khởi động lớn nên nó được dùng cho các hệ truyền động có khởi động nặng ví dụ: cần cẩu. Hình 1.18. Đặc tính cơ và đặc tính dòng điện của động cơ rãnh sâu: 1-đặc tính dòng điện, 2-đặc tính cơ Hình 1.19. Đặc tính cơ của động cơ dị bộ: 1-động cơ thường, 2-động cơ rãnh sâu Với phương pháp khởi động bằng hạ áp tuy có giảm được dòng khởi động nhưng đồng thời giảm momen. Do đó phương pháp khởi động bằng giảm điện áp chỉ thực hiện được với những động cơ có khởi động nhẹ. Mặt khác với phương pháp khởi động này làm cho hệ thống truyền động điện cồng kềnh và gây khó khăn trong việc thực hiện tự động hoá quá trình điều khiển. Khởi động bằng phương pháp điều chỉnh điện áp Hiện nay trên thị trường xuất hiện những bộ khởi động mềm điều chỉnh điện áp. Bằng cách giảm điện áp và hạn chế dòng mở máy nhờ thysistor. Bộ khởi động mềm thực chất là bộ điều áp xoay chiều ba pha hình 1.20. Nó gồm có ba đôi tiristo nối song song ngược. Nhờ góc mở α tạo ra điện áp tăng dần với tần số không đổi. Tốc độ tăng, điện áp có thể được điều khiển bằng: Độ lớn gia tốc động cơ. Điều chỉnh dòng điện hạn chế. Hoặc cả hai thông số trên. Ưu điểm của bộ khởi động mềm Khống chế đặc tính vận hành của động cơ khi khởi động hoặc dừng. Hình 1.20. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha Bảo vệ cơ học do giảm ứng suất động cơ và dòng ban đầu, dòng điện mở từ (2-5) Idm và momen mở (0.15 – 1) Mdm. Khống chế momen tăng tốc và giảm tốc độ độc lập nhau. Thích ứng momen động cơ phù hợp với momen cản của tải. Giảm tổn hao công suất động cơ. Công suất định mức của động cơ từ 2,2 đến 800 Kw. 1.3.2. Khởi động động cơ đồng bộ a. Khởi động bằng máy ngoài Thực chất của quá trình này là đồng bộ hóa hay tự đồng bộ. Ta dùng máy lai ngoài (động cơ không đồng bộ hoặc động cơ một chiều) quay roto động cơ đồng bộ tới tốc độ cần thiết để hòa vào lưới. Phương pháp này có nhược điểm là cần một động cơ ngoài nên tốn kém vì vậy ít dùng. b. Phương pháp khởi động dị bộ Đây là phương pháp giống như khởi động động cơ không đồng bộ. Để thực hiện phương pháp này người ta đặt ở mặt cực một cuộn dây ngắn mạch làm bằng các thanh đồng giống như cuộn dây của máy điện không đồng bộ roto ngắn mạch. Nếu bỏ qua cuộn kích từ thì khi nối cuộn dây ba pha vào lưới sẽ có dòng ba pha chạy vào và tạo ra từ trường quay làm roto quay như máy điện dị bộ. Khi đã đạt đến một tốc độ nhất định nếu ta cấp dòng kích từ cho cuộn kích từ thì giữa từ trường một chiều và từ trường quay sẽ tác động lên nhau và tạo ra momen có biên độ tăng dần. Chu kỳ TM của momen này khi độ trượt nhỏ có giá trị lớn, nên momen sinh ra trong máy đồng bộ có thể giúp cho roto tăng tốc bước vào đồng bộ. 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ TRONG CÁC TRẠNG THÁI HÃM [2] 1.4.1. Hãm tái sinh Hãm tái sinh của động cơ là trạng thái xảy ra khi tốc độ quay roto của động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ. 1. Động cơ dị bộ Khi đang làm việc ở trạng thái động cơ thì từ trường quay cắt qua các thanh dẫn của cuộn dây stato và roto theo chiều như nhau nên sđđ stato E1 và sđđ roto E2 trùng pha nhau, còn khi hãm tái sinh thì E1 vẫn giữ nguyên chiều cũ còn E2 có chiều nguợc lại vì khi đó ω > ω1, các thanh dẫn roto cắt từ trường quay theo chiều ngược lại. Hình 1.21. Đặc tính cơ khi hãm tái sinh của động cơ dị bộ a-đặc tính cơ hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách thay đổi tần số b-đặc tính cơ của động cơ không đồng bộvới tải thế năng Ở trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát song với lưới, trả công suất tác dụng về lưới còn vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì từ trường quay. Đối với những động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tần số hoặc số đôi cực khi giảm tốc độ có thể hãm tái sinh. Còn đối với những động cơ không đồng bộ sử dụng trong hệ truyền động có tải là thế năng có thể hãm tái sinh khi hạ tải trọng tốc độ ω > -ω1. Trên hình 1.21 –ω1b là đoạn hãm tãi sinh khi hạ tải. Ứng với đường đặc tính cơ này, từ trường quay đã đổi chiều bằng cách đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp đặt vào stato. 2. Động cơ đồng bộ Hình 1.22. Đặc tính hãm tái sinh của động cơ dị bộ Hãm tái sinh động cơ đồng bộ có thể xảy ra khi động cơ làm việc ở góc phần tư thứ II. Lúc này động cơ làm việc ở chế độ máy phát trả điện năng về lưới. 1.4.2. Hãm ngược Trạng thái hãm ngược của động cơ là trạng thái đổi nối mạch động cơ để tạo ra momen điện từ có chiều ngược với chiều quay của động cơ mà động cơ đang có. Trạng thái hãm ngược của động cơ không đồng bộ có hai trường hợp: Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đóng vào mạch roto điện trở phụ đủ lớn, với tải thế năng với tải thế năng động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm d (hình 1.23-a). Đoạn cd là đoạn đặc tính hãm ngược. Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp đặt vào stato, động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính hãm ngược bc hoặc b’c’ (hình 1.23-b). Hình 1.23. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm ngược Tuy nhiên trong cả hai trường hợp trên thì s > 1 nên dòng điện roto có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện roto f2 = sf1 lớn, nên điện kháng X’2δ lớn, do đó momen nhỏ vì vậy để tăng cường momen hãm và hạn chế dòng roto ta cần đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch roto. 1.4.3. Hãm động năng Hãm động năng của động cơ là trạng thái mà động năng của hệ truyền động tích lũy được trong quá trình làm việc biến đổi thành điện năng thông qua động cơ (làm việc ở chế độ máy phát). Điện năng này được tiêu thụ dưới dạng nhiệt trên điện trở hãm. 1. Động cơ dị bộ Trạng thái hãm động năng xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato động cơ ra khỏi nguồn điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều. Hãm động năng có hai dạng: hãm động năng kích từ độc lập và hãm động năng tự kích. Hãm động năng kích từ độc lập: để thực hiện quá trình hãm, khi động cơ đang quay ta cắt stato ra khỏi nguồn xoay chiều và đóng vào nguồn một chiều. Do động năng được tích lũy, roto tiếp tục quay theo chiều cũ trong từ trường một chiều vừa được tạo ra, trong cuộn dây phần ứng xuất hiện một dòng điện cảm ứng, lực từ trường tác dụng vào dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng sẽ tạo ra momen hãm và roto quay chậm lại. Động cơ điện xoay chiều khi hãm động năng sẽ làm việc như một máy phát điện xoay chiều có tốc độ giảm dần. Động năng (cơ năng của hệ truyền động) qua động cơ sẽ biến đổi thành điện năng tiêu thụ trên điện trở mạch roto. Đối với hãm động tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ tích lũy được, sơ đồ nguyên lý loại này thể hiện trên hình1.27. Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ trạng thái hãm động năng của động cơ không đồng bộ Hình 1.27. Sơ đồ nguyên lý hãm động năng tự kích của động cơ không đồng bộ 2. Động cơ đồng bộ Phương pháp hãm động năng thường hay dùng đối với động cơ đồng bộ. Khi hãm, stato của động cơ được cắt ra khỏi lưới điện xoay chiều rồi được đóng vào điện trở hãm, trong khi kích từ mạch roto vẫn được giữ nguyên. Lúc này động năng tích lũy của hệ tiếp tục làm quay roto và từ trường quét qua các cuộn dây stato sẽ làm xuất hiện các dòng điện cảm ứng khép kín qua các điện trở hãm. Cơ năng biến thành điện năng và được tiêu hao dưới dạng nhiệt trên điện trở hãm. Hình 1.26. Hãm động năng động cơ đồng bộ 1.5. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ [1,2] Khi điều chỉnh tốc độ động cơ cần thỏa mãn những yêu cầu sau: phạm vi điều chỉnh, sự liên tục trong điều chỉnh và tính kinh tế trong điều chỉnh. Với các thiết bị vận chuyển, phải điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, còn thiết bị dệt hoặc giấy thì đòi hỏi tốc độ không đổi với độ chính xác cao. Ngày nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, bộ biến tần ra đời là công cụ đắc lực trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ. Bộ biến tần là các thiết bị thay đổi tần số, sự thay đổi tần số phụ thuộc vào sự đóng mở các van bán dẫn điện tử. Căn cứ vào tính năng mà người ta chia biến tần ra thành hai loại chính: biến tần trực tiếp (BBT phụ thuộc) và biến tần gián tiếp (BBT độc lập). Biến tần gián tiếp (BBT độc lập): trong BBT này, dòng điện xoay chiều đầu vào có tần số f1, được chỉnh lưu thành dòng một chiều (có tần số f = 0), lọc rồi lại được biến đổi thành dòng xoay chiều với tần số f2. Đây là loại BBT được sử dụng rộng rãi hơn vì tần số f2 cần phải có hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số f1 mà chỉ phụ thuộc mạch điều khiển. Biến tần trực tiếp (BBT phụ thuộc): BBT loại này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều có tần số f1 thành dòng điện xoay chiều có tần số f2 mà không qua khâu chỉnh lưu nên hiệu suất cao hơn loại trên, nhưng việc thay đổi tần số ra khó khăn hơn vì phải phụ thuộc vào tần số f1. Hình 1.27-b thể hiện sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp. Điện áp xoay chiều tần số (50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (BCL) có điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu không điều khiển, sau đó được lọc (F) rồi đưa vào bộ nghịch lưu (BNL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ. Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau: Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn. Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh momen không đổi. Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. Bộ biến tần gián tiếp được chia làm hai loại: biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp. Ưu điểm của bộ biến tần trực tiếp: điện áp tải có dạng hình sin, có hiệu suất cao, do đó nó thường được sử dụng trong các hệ thống công suất lớn như cung cấp nguồn cho hệ thống tàu hoả... Nhược điểm: việc thay đổi tần số diễn ra khó khăn và tần số ra phụ thuộc vào tần số nguồn. Điện áp ra chứa nhiều sóng hài và dòng điện phía nguồn luôn chậm pha so với điện áp. Do đó đa số trong các hệ thống truyền động điện động cơ người ta sử dụng bộ biến tần gián tiếp. Hình 1.27. Sơ đồ khối bộ biến tần a-Bộ biến tần trực tiếp, b-Bộ biến tần gián tiếp 1.5.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 1. Điều chỉnh điện áp động cơ Thay đổi điện áp nguồn cung cấp làm thay đổi đặc tính cơ, vì momen động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều. Vì giá trị độ trượt tới hạn sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ, nên nói chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ roto lồng sóc. Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ roto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch roto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và momen. Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là làm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm. Có thể dùng biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn, trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn cả. Hình 1.28. Điều chỉnh điện áp động cơ dị bộ 2. Điều chỉnh điện trở mạch roto Phương pháp điều chỉnh này chỉ áp dụng đối với động cơ không đồng bộ roto dây quấn. Hình 129. Điều chỉnh xung trở roto Bằng việc tăng điện trở roto thì đặc tính cơ mềm đi nhiều, nếu momen cản không đổi ta có thể thay đổi tốc độ theo chiều giảm. Nếu điện trở phụ thay đổi vô cấp ta thay đổi được tốc độ vô cấp, tuy nhiên việc thay đổi điện trở vô cấp ít dùng mà chỉ thay đổi nhảy bậc do đó điện trở điều chỉnh được chế tạo làm việc ở chế độ lâu dài và có nhiều đầu ra. Khi momen cản tăng lên thì phạm vi điều chỉnh tăng lên. Đặc điểm của phương pháp này là điều chỉnh láng, dễ thực hiện, rẻ tiền nhưng không kinh tế do tổn hao ở điện trở điều chỉnh, phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tải. Không thể điều chỉnh ở tốc độ gần tốc độ không tải. Trên hình 1.29 trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch roto bằng phương pháp xung. 3. Điều chỉnh công suất trượt Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộbằng cách làm mềm đặc tính cơ và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs = sPdt được tiêu tán trên điện trở mạch roto. Ở các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp nối tầng dùng thyristor. Sức điện động roto ur được nghịch lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL. Điện áp xoay chiều của nghịch lưu (ua, ub, uc) có biên độ và tần số không đổi do được xác định bởi điện áp và tần số của lưới điện. Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển α thay đổi từ 900 đến 1400, phần còn lại dành cho góc chuyển mạch µ và góc phục hồi khóa δ của các van. Hình 1.30. Hệ thống nối tầng van điện Điều chỉnh tần số - điện áp Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải Hình 1.31. Sơ đồ biến tần nguồn áp Hình 1.32. Đồ thị dòng điện và khoảng dẫn các van Đồ thị điện áp pha của động cơ có dạng bậc thang, tại thời điểm các khóa chuyển mạch thì điện áp pha có đột biến nhảy cấp, giá trị từng cấp được xác định như hình 1.34. Dòng điện có dạng xoay chiều không điều hòa. Điều chỉnh từ thông Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ. Trong chế độ này, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số (1.53) là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thông trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc momen tải trên trục động cơ. Vì thế mà các hệ điều chỉnh chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông. Cấu trúc sơ đồ điều chỉnh từ thông như trên hình 1.35 chỉ là điều chỉnh gián tiếp từ thông, thông qua điều chỉnh điện áp động cơ, vì vậy mà độ chính xác điều chỉnh thấp. Hình 1.3.3. Sơ đồ điều chỉnh tần số - điện áp Phương pháp điều chỉnh cả độ lớn (biên độ) và vị trí (pha) của dòng điện giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần senser từ thông. Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện Biến tần nguồn dòng Hình 1.34. Sơ đồ nguyên lý mạch lực biến tần nguồn dòng Điều chỉnh tần số - dòng điện Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng thực hiện tương tự như hệ thống biế._.