Giáo trình cơ điện : Hướng dẫn ứng dụng mạch chuyển vào động cơ không đồng bộ roto phần 1 doc

1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của
máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hoá dây
truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không
thể thiếu được, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Nó quyế
t định đến
năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi
nhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng khi hoà nhập vào
môi trường cạnh tranh quốc tế.
Nước ta là một nước nông nghiệp, quanh năm đều có những sản phẩm
nông sản. Ngoài việc không ngừng tăng về mặt số lượng của nông sản mà
việc nâng cao chất l
ượng nông sản cũng đang được Đảng và Nhà nước ta rất
quan tâm. Vì vậy việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nông
nghiệp là rất quan trọng. Đặc biệt là trong khâu bảo quản sau thu hoạch, trong
đó quá trình sấy để bảo quản nông sản rất được quan tâm. Nhiệt độ, độ ẩm và
tốc độ gió là những thông số rất quan trọng trong quá sấy. Nó ảnh hưởng rất
lớ
n đến chất lượng nông sản. Ở nước ta, việc sấy nông sản đã được tiến hành
từ xa xưa nhằm bảo quản nông sản được lâu hơn, nhưng công việc này chủ
yếu dựa vào thiên nhiên là chính. Việc nhận biết đặc tính sấy của nông sản
chủ yếu là do kinh nghiệm của người thực hiện sấy. Những năm gần đây đã
có những phòng thí nghiệm sấy
được xây dựng nhằm khảo nghiệm đặc tính
sấy của nông sản. Một trong những yếu tố quan trọng tác động đến đặc tính
sấy của nông sản là tốc độ gió thổi vào nông sản. Vì vậy việc điều chỉnh tốc
độ gió có một ý nghĩa quan trọng và nó đòi hỏi cần phải có một giải pháp điều
chỉnh tốc độ chính xác. Việc điều chỉnh t

ốc độ động cơ quạt gió để thay đổi
tốc độ gió thổi vào nông sản đang được ứng dụng rất phổ biến.
Hiện nay cùng với sự phát triển kỹ thuật vi điện tử, công nghệ thông tin
là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong sản xuất công
Giáo trình cơ điện : Hướng dẫn ứng dụng mạch
chuyển vào động cơ không đồng bộ roto

2
nghiệp tự động hoá quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giải
quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những
vấn đề quang trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của
động cơ truyền động. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển t
ốc độ động
cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Gần đây loại động cơ này được sử dụng rất
rộng rãi do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác. Có nhiều
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và mỗi một phương
pháp lại có nhưng ưu điểm riêng. Đối với loạ
i động cơ không đồng bộ roto
lồng sóc một xu hướng điều khiển thông dụng được dùng nhiều nhất là điều
khiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ bằng biến tần). Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần là
phương pháp hiện đại cho phép đi
ều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trơn,
rộng và hiệu quả. Ưu điểm này đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển tốc độ gió
trong hệ thống thí nghiệm sấy.
Được sự phân công của bộ môn điện, với sự hướng dẫn của thầy giáo
Nguyễn Văn Đường, cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ
môn đề
tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp
gián tiếp” đã hoàn thành.

Do thời gian dành cho đề tài có hạn, khả năng bản thân còn nhiều hạn
chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến
của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn.
2. Mục đích và n
ội dung nghiên cứu của đề tài.
- Nghiên cứu về mặt lý thuyết hệ thống điều khiển tốc độ quay và biến tần.
- Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha bằng
biến tần áp.
- Xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió bằng biến
tần áp của h
ệ thống sấy nông sản.
- Thiết kế và lắp ráp được mạch.
.

3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều trong nước và trên thế
giới
Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều
thì ta tìm hiểu về động cơ không đồng bộ.
1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ được sử dụng một cách rộng rãi trong công
nghiệp và chiếm t
ỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy
là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành
an toàn, sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện. Trước đây các hệ truyền
động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ chiếm tỷ
lệ

rất nhỏ do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Trong thời gian gần
đây với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử, động cơ không
đồng bộ đã được khai thác triệt để các ưu điểm của nó và dần dần thay
thế cho động cơ điện một chiều trong các hệ truyền động.

hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần stator và rotor. Phần
cảm (stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách
điện với lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dây
quấn và rotor lồng sóc. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có kết cấu
giống như dây quấn stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồ
ng bộ rotor
.
.

4
dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor
để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công
suất của máy. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác với
dây quấn stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằng
đồng hay nhôm được nối với nhau bằng vòng ng
ắn mạch. Dây quấn lồng sóc
không cần cách điện với lõi sắt.
Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi ta
đưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ không đồng bộ thì
trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n
1
.

p

f
n
1
1
=

trong đó f
1
là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường này
sẽ quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứng
e
21
. Khi dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dòng điện I
2
. Từ
thông do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo nên đó là từ thông khe hở
không khí giữa stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thông này và dòng điện
rotor tạo ra mômen quay M
q
. Nếu mômen M
q
> M
c
thì roto sẽ quay (M
c
là
mômen cản).
Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường
quay n
1

, ví khi n = n
1
lúc đó e
21
= 0; I
2
= 0; M
q
= 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Để
đánh giá sự khác nhau giữa n và n
1
ta đưa ra khái niệm về độ trượt s.
1
1
n-n
s=
n

Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n
1
độ trượt s ≈ 0. Trong chế độ
động cơ 0 < n < n
1
do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor
với n > n
1
do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưng
ngược chiều từ trường n
1
lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ

5
hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện không đồng
bộ có thể biiêủ diễn trên thang độ trượt như hình sau:

Người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại chính là: động cơ
rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồng
sóc lại không được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát
triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện từ bán dẫ
n đã cho phép thực hiện thành công
các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý do
ấy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cách
rộng rãi trong các hệ truyền động công nghiệp.
Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộ
Ta có phương trình cân bằng điện áp viết cho dây quấn stator:

()

1
1
111
U=-E+I r+jx
(1.1)
Trên dây quấn rotor:

()
,

22

22
,

21
,
.
12 o

1o
m
0=-E -I r/s+jx
EE
II I
EIz
=
+=
=−
(1.2)
r
1
và r
2
’
là điện trở stator và rotor đã quy đổi về mạch
stator;
x
1
và x
2
’

là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về
mạch stator;
I
o
là dòng điện từ hoá;

6
r
m
là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, x
m
là điện
kháng từ hoá biểu thị sự hỗ cảm giữa stator và rotor;
Từ những phương trình nêu trên ta có sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của
động cơ không đồng bộ:

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ
Công suất điện từ và mô men điện từ
'2'
dt 1 Cu1 Fe 1 2 2
'2'
co dt Cu2 1 2 2
s
ss
I
I1
PPp p m()r/
PPp m()r()/
=− − =
=− = −

Mô men điện từ của động cơ:
2'
21
2'
21s
'
2
2
11
s
dt
)x(x/s)r[(r2ππ
/sprUm
w
P
M
+++
==
(1.3)
Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
ω
= f(M)
Từ phương trình mô men của động cơ (1.3) ta xây dựng được đường
đặc tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ
như hình vẽ sau:

ω
s = 0
M
M
th
M
t

s
th
n= 0

7


Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ đạt cực đại tại điểm có:
2'
21
2
1
'
2
th
)x(xr
r
s
++
=

2
1
th
2'2
s1 1 1 2
3U
M
2(r r (x x))ω
=
+++

th
th
th
thth
2as
s
s
s
s
)as(12M
M
++
+
=⇒
( 1.4 )
với a = r
1
/r

2
.

Đối với động cơ có công suất lớn r
1
<<x
1
+x
2
’
lúc này ta có thể bỏ qua r
1
nghĩa là r
1
= as
th
= 0 suy ra:
'2
21
th th
''
12 s12
r3U
sM
xx 2(xx)
ω
=⇒=
++

th
th
th
ss
ss
2M
M
⇒=
+
( 1.5 )
1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha
Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụng
cụ, thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oát
đến vài trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ

8
không đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởi
động. Rôto động cơ không đồng bộ một pha thường là lồng sóc.
Dây quấn làm việc được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc,
còn dây quấn khởi động chỉ nối vào khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷
85% tốc độ đồng bộ thì dùng bộ ngắt kiểu ly tâm cắt dây quấn khởi độ
ng ra
khỏi lưới điện. Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi động
nối vào lưới.
So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, công suất
của động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha,
nhưng do các động cơ điện một pha có khả năng quá tải thấp nên trên thự
c tế,
trừ động cơ điện kiểu điện dung ra, công suất của động cơ điện một pha bằng
40 ÷50% công suất động cơ điện ba pha.

Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấn
làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sinh ra từ
trường đập mạch Φ. Từ trường này có thể
phân thành hai từ trường quay
ngược chiều nhau Φ
A
và Φ
B
có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ
trường đập mạch như Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một pha
tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần
giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều
ngược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng của từ trường quay thuận nghịch
đó với
dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau M
A
và
M
B
. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai mô men đó bằng nhau và ngược
chiều nhau, do đó mô men quay tổng bằng không.

9

Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ một pha
Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quay
theo chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần số
của sức điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận Φ
A
sinh

ra sẽ là:

(
)
(
)
111
2B 1
1
pn-n pn n-n
f= = =sf
60 60n
( 1.6 )
Còn đối vớitừ trường quay ngược Φ
B
thì tần số ấy sẽ là:

()
(
)
()
111
1
2A 1
1
pn+n 2n-n-n
pn
f= = -2-sf
60 60 n
⎡⎤

⎢⎥
⎣⎦
( 1.7 )
ở đây (2 - s) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường Φ
B
.
Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường Φ
A
máy làm việc ở chế độ
động cơ điện, còn đối với từ trường Φ
B
, do hệ số trượt của roto đối với tử
trường đó bằng 2 – s > 1, nên máy sẽ làm việc trong chế độ hãm. Ngược lại,
khi 1 < s < 2 tức là khi cho roto quay theo chiều của từ trường dây quấn B thì
hệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trường
Φ
B
, máy làm việc ở chế độ động cơ, còn đối với từ trường Φ
A
thì ở chế độ
hãm.
Quy ước rằng các mô men có trị số dương khi chúng tác dụng theo
chiều chiều quay của từ trường Φ
A
, ta sẽ được các đường cong mô men M
A
và

10
M

B
của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính
mô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên
động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện
một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy.

Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Để điều khiển được dòng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiên
cứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc
của rotor, M là mô men của động cơ. Từ
đó có các phương thức để điều chỉnh
tốc độ và mô men.
Ta có phương trình đặc tính của động cơ không đồng bộ như sau:
2'
11 2
'2 '2
s
12 1 2
mUpr/s
M
2πf [(r r /s) (x x )
=
+++
( 1.8 )
Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điều
chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u
1
, điều chỉnh điện

trở mạch rotor (r
2
), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn
cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor…
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và
mỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là
một số phương pháp đi
ều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: