Tiểu luận nghiên cứu hệ biến tần động cơ không đồng bộ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
 
Đề Tài:
Nghiên cứu hệ biến tần-Động cơ không đồng bộ
3 pha
Giáo Viên Bộ Môn : Th.s Nguyễn Đăng Khang
Nhóm 3 –Lớp TĐH
2

K5
Sinh viên thực hành:
Nguyễn Thanh Hiếu
1
Lời nói đầu
Như chúng ta đã biết ngày nay,Trong thời đại công nghiệp
hóa hiện đại hóa đất nước,ngành công nghiệp có 1 vai trò
quan trọng nhằm thúc đẩy và phát triển nền kinh tế.Đưa công
nghệ mới vào sản xuất là 1 yêu cầu tất yếu.
Khi mà động cơ điện càng được ứng dụng rộng rãi trong
nghành công nghiệp thì điều khiển nó 1 cách tối ưu là 1 vấn
đề được đặt ra. Có nhiều phương pháp để điều khiển động cơ
không đồng bộ 3 pha.Trải qua nhiều giai đoạn, qua nhiều
phương pháp.Cho đến khi Biến tần được tạo ra và đưa vào
ứng dụng thì nó trở thành 1 giải pháp tối ưu và được dùng rất
rộng rãi.
Có nhiều hãng nước ngoài sản xuất các loại biến tần khác
nhau. Misubishi là 1 trong số đó.Chúng em đã được giao đề
tài”nghiên cứu hệ biến tần-Động cơ không đồng bộ 3 pha”
chuyên sâu về biến tần của hãng Mitsubishi.Em đã chọn biến

tần FR-A700 để nghiên cứu.Qua đề tài này em đã có thêm
nhiều kiến thức hơn về hệ biến tần-động cơ không đồng bộ 3
pha.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện
đã giúp đỡ chúng em đặc biệt là thầy Nguyễn Đăng Khang đã
trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em làm bài tiểu luận
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm bài tập
lớn, chưa có nhiều kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều sai sót
trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình
mong các thầy, cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm.
2
Em xin chân thành cảm ơn.
Mục Lục
I KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
II TÌM HIỂU CHUNG VỀ BIẾN TẦN
III GIỚI THIỆU BIẾN TẦN MITSUBISHI FR-A700
III KẾT LUẬN
3
I Khái quát về động cơ không đồng bộ 3 pha
1. Khái niệm.
Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều,
làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor
khác với tốc độ từ trường quay trong máy.
2. Cấu tạo:
Gồm 2 phần chính:
Phần tĩnh(Stato):
gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn.
Phần quay(Roto):
gồm trục, lõi sắt và dây quấn roto
Ngoài ra khe hở trong ĐCKĐB

rất nhỏ nên roto trong ĐCKĐB rất tròn và đều
4
2.1. Phần tĩnh ( hay Stator):
Trên stator có vỏ , lõi thép và dây quấn
2.1.1. Vỏ máy :
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn.Thường võ
máy làm bằng gang . Đối với vỏ máy có công suất tương đối
lớn ( 1000 kw ) thường dung thép tấm hàn lại làm vỏ máy ,tùy
theo cách làm nguội ,máy và dạng vỏ máy cũng khác nhau .
2.1.2.Lõi thép:
Lõi thép là phần dẫn từ . Vì từ trường đi qua lõi thép là từ
trường quay nên để giảm bớt tổn hao , lõi thép được làm
bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại . Khi
đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm thì dùng cả
tấm thép tròn ép lại . Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số
5
trên thì phải dùng những tấm thép hình rẻ quạt ( hinh 1.2 )
ghép lại thành khối tròn .
Mỗi lõi thép kỹ thuật
điện đều có phủ sơn cách
điện trên bề mặt để giảm
hao tổn do dòng điện xoáy
gây nên .Nếu lõi thép
ngắn thì có thể ghép thành
một khối nếu lõi thép quá
dài thì ghép thành những
tấm ngắn mỗi tấm thép
dài từ 6 đến 8 cm đặt cách
nhau 1cm để thông gió
cho tốt .Mặt trong cùa lá

thép có sẽ rảnh để dặt dây quấn .
2.1.3. Dây quấn:
Dây quấn stator được đặt vài các rãnh của lõi thép và được
cách điện tốt với lõi thép . Dây quấn phấn ứng là phần dây
bằng đồng được trong các rãnh phần ứng và làm thành một
hoặc nhiều vòng kín .Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất
của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến dổi
năng lượng từ điện năng thành cơ năng . Đồng thời về mặt
kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao
trong toàn bộ giá thành của máy.
+ Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm :
- Sinh ra được một sức điện động cần thiết có thể cho
một dòng điện nhất định chạy qua mà không bị nóng quá một
6
Hình 1.2 tấm thép hình rẻ quạt
nhiệt độ nhất định để sinh ra một moment cần thiết đồng thời
đảm bảo đổi chiều tốt .
- Triệt để tiết kiệm vật liệu , kết cấu đơn giản làm việc
chắc chắn an toàn
- Dây quấn phấn ứng có thể phân ra làm các loại chủ yếu
sau :
+ Dây quấn xếp đơn và dây quấn xếp phức tạp
+ Dây quấn song đơn và dây quấn song phức tạp
∗ Trong một số máy cở lớn còn dùng dây quấn hỗn hợp
đó là sự kết hợp giữa hai dây quấn xếp và song .
2.2. Phần quay( hay Rotor )
Phần này gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor:
2.2.1 Lõi Thép:
Nói chung người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở
stator lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá

rotor của máy .Phía ngoài của lá thép có sẽ rãnh để đặt dây
quấn .
2.2.2 Dây Quấn Rotor:
Phân loại làm hai loại chính rotor kiểu dây quấn va roto kiểu
lồng sóc:
Loại rotor kiểu dây quấn : rotor kiểu dây quấn (hình 1.3 )
cũng giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ
dây quấn stator .Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao ( Y ) và
có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và
cách điện với trục .Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành
7
trượt này để dẫn điện và một biến trở cũng nối sao nằm ngoài
động Cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ .
Hình 1.3 : rotor kiểu dây quấn
Rotor kiểu lồng sóc ( hình 1.4 ) : Gồm các thanh đồng hoặc
thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn
mạch ở hai đấu .Với động cơ nhỏ ,dây quấn rotor được đúc
nguyên khối gồm thanh dẫn , vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt
và cánh quạt làm mát .Các động cơ công suất trên 100kw
thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn
chặt vành ngắn mạch .
8
2.3. Khe hở :
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều , khe hở trong máy
điện không đồng bộ rất nhỏ ( từ 0,2mm đến 1mm trong máy
điện cở nhỏ và vừa ) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới
vào ,và như vậy có thể làm cho hệ số công suất của máy tăng
cao .
3,Nguyên lí làm việc động cơ không đồng bộ 3 pha
Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong

khe hở không khí suất hiện từ trường quay với tốc độ n
1
=
60f
1
/p (f
1
là tần số lưới điện ; p là số cặp cực ; tốc độ từ trường
quay ) .Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn
mạch nên trong dây quấn rotor có dòng diện I
2
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 rotor
tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment . Tác dụng đó có
quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor . Trong những
phạm vi tồc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng
khác nhau . Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng
trong ba phạm vi tốc độ .
9
Hệ số trượt s của máy :
s = =
Như vậy khi n = n1 thì s = 0 , còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n >
n1 ,s < 0 và rotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s
> 1 .
3.1 Rotor quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n
1
( 0 < s < 1)
Giả thuyết về chiều quay n
1

của từ trường khe hở Φ và
của rotor n như hình 1.5a .Theo quy tắc bàn tay phải , xác
đinh được chiều sức điện động E
2
và I
2
; theo quy tắc bàn tay
trái , xac định được lực F và moment M . Ta thấy F cùng
chiều quay của rotor , nghĩa là điện năng đưa tới stator , thông
qua từ truờng đã biến đổi thành cơ năng trên trục quay rotor
theo chiều từ trường quay n
1
, như vậy đông cơ làm việc ở chế
độ động cơ điện .
10
3.2 Rotor cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n > n
1
(s <
0) .
Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ
vượt tốc độ dồng bộ n > n
1
.Lúc đó chiều từ trường quay quét
qua dây quấn rotor sẽ ngược lại , sức điện động và dòng điện
trong dây quấn rotor cũng đổi chiều nên chiều nên chiều của
M cũng ngược chiều n
1
, nghĩa là ngược chiều với rotor , nên
đó là moment hãm ( hình 1.5b ).Như vậy máy đã biến cơ năng
tác dụng lên trục động cơ điện ,do động cơ sơ cấp kéo thành

điện năng cung cấp cho lưới điện ,nghĩa là động cơ làm việc ở
chế độ máy phát .
3.3. Rotor quay ngược chiều từ trường n < 0 (s > 1)
Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay
ngược chiều từ trường quay hình 1.5c , lúc này chiều của sức
điện động và moment giống như ở chế độ động cơ .Vì moment
sinh ra ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rotor
lại . Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào ,
vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp .Chế độ làm việc này gọi
là chế độ hãm điện từ .
3.4. Các đường
đặc tính của động cơ
không đồng bộ 3 pha
Đặc tính tốc độ n = F(P
2
)
Theo công thức hệ số
trượt ,ta có :
n = n1(1-s)
11
Trong đó : s =
.
Khi động cơ không tải P
cu
<< P
dt
nên s ~ 0
động cơ điện quay gần tốc độ đồng bộ n ~ n
1
.Khi tăng tải thì

tổn hao đồng cũng tăng lên n giảm một ít , nên đường đặc tính
tốc độ là đường dốc xuống .
Đặc tính moment M=f(P
2
)
Ta có M = f(s) thay đổi rất nhiều .nhưng trong phạm vi 0 < s
< s
m
thì đường M = f(s) gần giống đường thẳng ,nên M
2
=
f(P
2
) đường thẳng qua gốc tọa độ.
Đặc tính hiệu suất η = f(P
2
)
Ta có hiệu suất của máy điện không dồng bộ :
η =

100%
∑P tổng tổn hao, nhưng ở đây chỉ có tổn hao đồng thay
đổi theo phụ tải còn các tổn hao khác là không đổi .
Đặc tính hệ số công suất cosϕ = f(P
2
) .
Vì động cơ luôn luôn nhận công suất phản kháng từ
lưới .Lúc không tải cosϕ rất thấp thường < 0,2 .Khi có tải
dòng điện I
2

tăng lên nên cosϕ cũng tăng .
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐCKĐB
4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
12
4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số
13
4.3 Điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh xung điện trở
rotor
4.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về
nguồn.
14
II Giới thiệu biến tần
A Khái niệm:
Bộ biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số
công nghiệp 50Hz hoặc 60Hz sang nguồn có tần số thay
đổi cung cấp cho động cơ điện xoay chiều
B Giới thiệu chung
Mitsubishi Electric Automation, nhà cung cấp sản phẩm
tự động hóa tầm cỡ thế giới cho nhiều ngành công nghiệp mới
đây đã cho ra mắt bộ biến tần tính năng cao A700 để điều
khiển động cơ từ ½ đến 600 mã lực. A700 sẽ thay thế các
dòng biến tần A500 và A500L của công ty cho ra mắt từ năm
1997.
FR-A700 là dòng biến tần đầu tiên của Mitsubishi có tích
hợp bộ điều khiển khả trình (PLC) và mang trong mình nhiều
đặc điểm của công nghệ đặc biệt mà Mitsubishi phát triển cho
các sản phẩm truyền động servo. Đặc điểm đáng chú ý như tự
động điều chỉnh. Tính năng này giúp tự động bù vào sự thay
đổi quán tính tải trọng. Kết quả là mang lại hoạt động trơn tru,

thời gian ngưng hoạt động giảm và chi phí hoạt động thấp.
“A700 nhanh hơn, thông minh hơn, khỏe mạnh hơn mọi loại
biến tần chúng tôi đã giới thiệu trước đây”, ông Chris Cusick,
giám đốc marketing của Mitsubishi cho biết. “Với PLC tích
hợp trong A700, người sử dụng có thể điều chỉnh thiết bị theo
yêu cầu ứng dụng của mình”. Có tốc độ hồi đáp 300
radian/giây, nhanh hơn 10 lần so với các dòng A500, A700 hỗ
trợ hầu hết các giao thức thông dụng, gồm Profibus DP, CC-
Link, DeviceNet, LonWorks, ControlNet, Modbus RTU,
Metasys N2, EtherNet IP và Modbus TCP/IP, tất nhiên, cả
15
giao thức mạng RS485 độc quyền của Mitsubishi. Ngoài ra,
A700 còn hỗ trợ mạng kết nối chuyển động sợi quang cho
C Cấu trúc chung của biến tần.
1 Sơ đồ nguyên lý
Khâu chỉnh lưu: Biến đổi nguồn xoay chiều về 1 chiều
Khâu lọc: Tụ C lọc các thành phần điện áp xoay chiều
Khâu nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 3 pha: Biến đổi nguồn
1 chiều thành nguồn xoay chiều 3 pha có tần số, điện áp có
16
thể thay đổi . Các van T1,T2 T6 có thể là tranzitor công suất,
mosfet, GTO, thyristor, hoặc IGBT
Khâu điều khiển: Tạo xung điều khiển các van
2 Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần
3 Luật điều khiển của biến tần
• Tốc độ động cơ theo tần số: n = 60*f*(1 - s) / p
• Mômen sinh ra tỷ lệ với từ thông và dòng điện:
M = K.Φ.I.cosφ
Muốn điều khiển mômen:
Φ = constant

M = f(I)
17
3.1. Luật điều khiển U/f
- Duy trì tỷ số U/f không đổi
- Duy trì từ thông không đổi
3.2. Điều khiển véc tơ từ thông
• Nguyên lý: chuyển đổi hệ phương trình máy điện,
chuyển các đại lượng vô hướng (điện áp, dòng điện, từ
thông) thành các véc tơ tương ứng.
• Trên hệ quy chiếu với véc tơ từ thông, thành lập được hệ
phương trình:
Từ thông Φr = K1.Id
Mômen M = K2.Φs.Iq
Id, Iq là các thành phân dọc trục và ngang trục của véc tơ
dòng điện
• Nguyên lý: chuyển đổi hệ phương trình máy điện,
chuyển các đại lượng vô hướng (điện áp, dòng điện, từ
thông) thành các véc tơ tương ứng.
• Trên hệ quy chiếu với véc tơ từ thông, thành lập được hệ
phương trình:
Từ thông Φr = K1.Id
Mômen M = K2.Φs.Iq
Id véc tơ dòng điện dọc trục
Iq véc tơ dòng điện ngang trục
18
4 Các ưu điểm khi sử dụng biến tần:
+ Giảm tổn thất điện năng
+Cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ nâng cao chất
lượng động lực học hệ thống
+Dễ lắp đặt, vận hành đơn giản, không gian lắp đặt nhỏ

+Đáp ứng được nhiều ứng dụng khác nhau trong công
nghiệp
+Có các chế độ điều khiển thông minh và cập nhật thông
số đảm bảo các chế độ vận hành, bảo vệ tốt
III Tìm hiểu về biến tần FR-A700
19
1.1 Cấu trúc biến tần FR-A700
1.1.1 Khái niệm biến tần
Biến tần là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện có tần số
f
1
cố định thành nguồn điện có tần
số fr thay đồi được nhờ các khóa bán dẫn.
Phân loại:
Biến tần được phân chia làm hai loại:
a) Biến tần trực tiếp
b) Biến tần gián tiếp
Biến tần gián tiếp được chia làm hai loại: biến tần nguồn dòng
và biến tần nguồn áp.
20
Ứng dụng: Bộ biến tần thường được sừ dụng để điều khiền
vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần
số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến
thiên.
Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng số pha. Từ
nguồn lưới một pha, với sự giúp đỡ của bộ biến tần ta có thể
mắc vào tải động cơ ba pha. Bộ biến tần còn dược sử dụng
rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện. Bộ biến tần trong trường
hợp này cung cấp năng lượng cho lò cảm ứng.
1.1.2 Cấu trúc biến tần FR-A700

Biến tần FR-A700 là biến tần nguồn áp gồm các phần cơ bản:
+ Bộ chỉnh lưu: Có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch
cầu một pha hoặc ba pha. Thông thường ta gặp ,mạch cầu ba
pha.Thông thường, bộ chỉnh lưu có dạng không điều
khiển,bao gồm các diode mắc dạng mạch cầu. Độ lớn điện áp
và tần số áp ra của bộ nghịch lưu còn có thể điều khiển thông
qua phương pháp điều khiển xung thực hiện trực tiếp ngay
trên bộ nghịch lưu.
Ở chế độ máy phát của tải (chẳng hạn khi hãm động cơ không
đồng bộ), năng lượng hãm được trả ngược về mạch một chiều
21
và nạp cho tụ lọc C
f
. Năng lượng nạp về trên tụ làm điện áp
nó tăng lên và có thể đạt giá lớn có thể gây quá áp. Để loại bỏ
hiện tượng quá điện áp trên tụ C
f
, ta có thể đóng mạch xả điện
áp trên tụ qua một điện trở mắc song song vơi tụ thông qua
công tắc bán dẫn S.
+ Mạch trung gian một chiều: Có chứa tụ lọc với điện dung
khá lớn C
f
(khoảng vài ngàn µ F ) mắc vào ngõ vào của bộ
nghịch lưu. Điều này giúp cho mạch trung gian hoạt động như
nguồn điện áp. Tụ điện cùng với cuộn cảm L
f
của mạch trung
gian tạo thành mạch nắn điện áp chỉnh lưu. Cuộn kháng L
f

có
tác dụng nắn dòng điện chỉnh lưu. Trong nhiều trường hợp,
cuộn kháng L
f
không xuất hiện trong cấu trúc mạch và tác
dụng nắn dòng của nó có thể được thay thế bằng cảm kháng
tản máy biến áp cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu. Do tác dụng của
diode nghịch đảo bộ nghịch lưu, điện áp đặt trên tụ chỉ có thể
đạt các giá trị dương. Tụ điện còn thực hiện chức năng trao
đổi năng lượng ảo giữa tải của bộ nghịch lưu và mạch trung
gian bằng cách cho phép
dòng id
2
thay đổi chiều nhanh không phụ thuộc vào chiều của
dòng id
1
.
+ Bộ nghịch lưu áp:
Bộ nghịch lưu là thiết bị biến đổi năng lượng điện một chiều
thành năng lượng điện xoay chiều.
Nghịch lưu có dạng một pha hoặc ba pha. Quá trình chuyển
mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi
cưỡng bức. Trong trường hợp đặc biệt bộ nghịch lưu làm việc
không có quá trình chuyển mạch hoặc với quá trình chuyển
mạch phụ thuộc bên ngoài. Từ đó ta có hai trường hợp bộ
biến tần với quá trình chuyển mạch độc lậpvà quá trình
chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài.
1.2 Kiểm tra sản phẩm và nhận dạng các bộ phận
Mở bao bì biến tần và kiểm tra các tấm công suất trên bìa đĩa
phía trước và đánh giá trên mặt bên biến tần để đảm bảo rằng

22
sản phẩm đồng ý với đơn đặt hàng và biến tầnđược nguyên
vẹn.
Inverter Type
Phụ kiện
Quạt bao gồm đinh vít cố định (22K hoặc ít hơn)
Những con ốc theo tiêu chuẩn Châu Âu
1.3 Lắp đặt và nối dây
23
1.3.1 Đấu dây
1.3.1.1 Sơ đồ nối dây
24
1.3.1.2 Đặc điểm kĩ thuật của các đầu cuối trên mạch
chính
25