Chương 9. Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

Chng 9
hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ
rotor dây quấn
9.1. Nguyên lý điều tốc nối cấp và các dạng cơ bản của nó
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm
sức điện động
Lúc động cơ không đồng bộ làm việc, sức điện động pha mạch
rotor của nó là: E
2
= sE
20
(9.1)
trong đó s là hệ số tr ợt của động cơ không đồng bộ; E
20
là sức
điện động pha của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi
rotor đứng yên, hay gọi là sức điện động mạch hở, s.đ.đ. định mức
mạch rotor nếu đặt vào mạch stator điện áp xoay chiều với tần số
và giá trị điện áp bằng định mức.
Chng 9

y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm
sức điện động
Công thức (9.1) chứng tỏ, trị số của sức điện động E
2
của
rotor tỷ lệ thuận với hệ số tr ợt s, đồng thời tần số f
2
của nó cũng tỷ
lệ thuận với s: f
2
= sf
1
. Lúc rotor đ ợc nối dây bình th ờng, ph ơng
trình dòng điện pha rotor là:
20
2
2 2
2 20
sE

I
R (sX )
=
+
trong đó R
2
là điện trở mỗi pha của cuộn dây rotor; X
20
là điện
kháng tản của mỗi pha cuộn dây rotor khi s = 1.
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm
sức điện động
Khi đ a vào mạch rotor một sức
điện động phụ E
ph
điều khiển đ ợc và
mắc nối tiếp với sức điện động E
2

của
mạch rotor. E
ph
có cùng tần số, nh ng
có thể cùng pha hoặc ng ợc pha với
E
2
, nh trên hình 9.1. Trong tr ờng hợp
này, ph ơng trình dòng điện sẽ là:

Hình 9.1: Sơ đồ đấu s.đ.đ.
phụ (E
ph
) trong mạch rotor
động cơ không đồng bộ

E
2
=sE
20
E
ph
I
2
ĐK
3
20 ph
2
2 2
2 20

sE E
I
R (sX )

=
+
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm
sức điện động
Khi mô men phụ tải M
c
là hằng số, có thể coi dòng điện
rotor I
2
cũng là hằng. Giả thiết tr ớc khi có sức điện động phụ,
động cơ đang làm việc ổn định với giá trị hệ số tr ợt s = s
1
. Sau khi
đ a sức điện động phụ ng ợc dấu vào, do mô men phụ tải là hằng

số, vế trái công thức (9.2) là hằng số (I
2
), vì thế hệ số tr ợt của
động cơ buộc phải tăng lên và ổn định với s=s
2
(s
2
>s
1
), quan hệ
giữa s
1
, s
2
và s.đ.đ. phụ thỏa mãn biểu thức:
2 20 ph
1 20
2
2 2 2 2
2 2 20 2 1 20
s E E
s E
I
R (s X ) R (s X )

= =
+ +
Chng 9
y
0

= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và hệ thống truyền động điều
tốc nối cấp
Đ a sức điện động phụ vào mạch rotor động cơ không đồng
bộ rotor dây quấn rõ ràng là có thể làm thay đổi tốc độ quay của
động cơ, nh ng do tần số của sức điện động cảm ứng E
2
của mạch
rotor động cơ điện thay đổi theo hệ số tr ợt, nên tần số của sức
điện động phụ E
ph
cũng buộc phải thay đổi theo tốc độ quay của
động cơ.
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1

= y
4
= x+
9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động
điều tốc nối cấp
Để giải quyết vấn đề này một cách đơn giản nhất, trong hệ
thống thực tế, đầu tiên điện áp xoay chiều trong mạch cuộn dây
rotor động cơ đ ợc biến đổi thành sức điện động một chiều, sau đó
so sánh nó với sức điện động phụ một chiều, điều khiển giá trị
biên độ sức điện động phụ một chiều là có thể điều chỉnh đ ợc tốc
độ quay của động cơ. Nh vậy đã chuyển vấn đề thay đổi đ ợc tần
số và giá trị của s.đ.đ. phụ xoay chiều sang vấn đề điều chỉnh giá
trị của s.đ.đ. phụ một chiều không liên quan gì đến tần số, làm
cho việc phân tích và điều khiển dễ dàng đi rất nhiều.
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động
điều tốc nối cấp
Hình 9.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động nối cấp động cơ
không đồng bộ

Tải
cơ
học
E
2
=sE
20
I
2
ĐK
3
3
BĐ1
U
d1
CK
BA
BĐ2
U
d2
I
d
++

Chng 9
y
0
= 0
y
0

= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động
điều tốc nối cấp
U
d1
= U
d2
+ I
d
R; K
1
sE
20
=K
2
U
2
cos + I
d
R
trong đó: K
1
, K
2
là các hệ số phụ thuộc vào loại sơ đồ bộ biến đổi

BĐ1 và BĐ2, khi BĐ1 và BĐ2 đều dùng chỉnh l u cầu 3 pha thì:
K
1
= K
2
= 2,34
U
d1
- điện áp chỉnh l u trung bình đầu ra của BĐ1;
U
2
- giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp của máy biến áp nghịch
l u BA;
U
d2
- điện áp nghịch l u trung bình đầu ra của BĐ2;
- góc điều khiển nghịch l u của BĐ2;
R - điện trở t ơng đ ơng của mạch rotor quy đổi về phía một chiều
một chiều.
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4

= x+
9.1.3. C¸c d¹ng kh¸c cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp
H×nh 9.3: S¬ ®å
nguyªn lý hÖ thèng
truyÒn ®éng nèi cÊp
®iÖn lùc víi B§2 m¾c
theo s¬ ®å tia ba pha
E
2
=sE
20
I
2
§K
∼3
B§1
CK1
BA
B§2
T¶i c¬
häc
CK2
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y

1
= y
4
= x+
9.1.3. C¸c d¹ng kh¸c cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp
Bé chØnh l u
kiÓu quay
H×nh 9.4: HÖ thèng ®iÒu thèng nèi cÊp ®iÖn lùc thêi kú ®Çu
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.1.3. C¸c d¹ng kh¸c cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp
H×nh 9.5: S¬ ®å nguyªn lý hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp c¬ khÝ
E
2
=sE
20
I
2
§K
∼3

B§1
T¶i c¬
häc
§
+
-
CK§
i
KF
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.2. Chất l ợng hệ thống điều tốc nối cấp
9.2.1. Đặc tính cơ của hệ thống điều tốc nối cấp
Ph ơng trình cân bằng sức điện động của mạch điện một
chiều phía rotor khi làm việc không tải lý t ởng:

0 20 2
2
0
20

s E U cos
U cos
s
E
=

=

Trong đó s
0
là hệ số tr ợt không tải lý t ởng, U
2
là điện áp hiệu dụng
thứ cấp máy biến áp nghịch l u BA.
Có thể thấy, với các góc khác nhau, đ ờng cong M
đt
=f(s)
khi điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ là gần nh song song,
t ơng tự nh đ ờng đặc tính cơ của điều tốc điều áp động cơ điện một
chiều.
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y

4
= x+
9.2.1. §Æc tÝnh c¬ cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp
a)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-s
s
0
=0.2
§Æc tÝnh c¬ tù nhiªn
cña ®éng c¬
s
0
=0.4
s
0
=0.6
s
0
=0.8
s
0
=0, β=90
0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-s
s
0
=0.2
§Æc tÝnh c¬ tù nhiªn
cña ®éng c¬
s
0
=0.4
s
0
=0.6
s
0
=0.8
s
0
=0,
β=90
0
H×nh 9.6: §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé khi ®iÒu tèc
nèi cÊp
a) ®éng c¬ lín; b) ®éng c¬ bÐ

b)
*
đt
M
*
đt
M
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.2.2. Máy biến áp nghịch l u
Để đơn giản dễ thấy, có thể dựa vào trạng thái làm việc
không tải lý t ởng để tính chọn điện áp pha phía thứ cấp U
2
của
máy biến áp nghịch l u:
0 20 0max 20
2
min
s E s E
U

cos cos
= =

trong đó: s
0max
là hệ số tr ợt không tải lý t ởng cực đại ứng với tốc độ
quay cực tiểu ở chế độ không tải lý t ởng của động cơ đ ợc xác định
theo phạm vi điều tốc của hệ thống;

min
là góc nghịch l u khi làm việc với hệ số tr ợt cực đại,
lúc này góc nghịch l u nhỏ nhất th ờng chọn:
min
= 30
0
.
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.2.3. Dung l îng (c«ng suÊt) thiÕt bÞ ®iÒu tèc nèi cÊp
Dung l îng cña m¸y biÕn ¸p nghÞch l u lµ:

đm 2đm 2đm
S 3U I≈
0max 20 0max 20
2đm 0max 20 20
0
min
s E s E
1
U 1,15s E 1,15E (1 )
cos30 D
= = = ≈ −
β
do ®ã:
đm 20 2đm
1
S 3, 45E I (1 )
D
= −
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+

9.2.4. HiÖu suÊt cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp:
P
v
P
1
P
2
P
F
Q
F
BA
B§1
B§2
CK
P
s
§K
a
P
F
P
F
P
s
∆P
2
+∆P
s
∆P

c¬
∆P
1
P
®t
P
v
P
2
P
c¬
P
1
b
H×nh 9.7: Ph©n tÝch hiÖu suÊt hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp
a) H íng ®i cña c«ng suÊt hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp
b) BiÓu ®å n¨ng l îng hÖ thèng
Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.2.4. HiÖu suÊt cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp:

co cođt co
2
nc
v 1 Fđt 1 s 2 s
đt co đt
đt 1 2 s đt s
P P P (1 s) P
P
100% 100% 100%
P P P (P P ) (P P P )
P (1 s) P P (1 s)
100% 100%
P (1 s) P P P P (1 s) P
− ∆ − − ∆

η = × = × = × =

− + ∆ − −∆ − ∆


− − ∆ −

= × ≈ ×

− + ∆ + ∆ + ∆ − + ∆

đt co
2
R
v 1

đt co
đt 1
P (1 s) P
P
100% 100%
P P
P (1 s) P
(1 s) 100%
P P
− − ∆

η = × = × =



− − ∆

= ≈ − ×

+ ∆

Chương 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1

= y
4
= x+
Chương 9
9.2.4. HiÖu suÊt cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp:
H×nh 9.8: § êng cong
η
= f(s) cña hÖ
thèng ®iÒu tèc nèi cÊp ®iÖn lùc vµ ®iÒu
tèc ®iÖn trë phô trong m¹ch rotor
20
40
60
80
100
η

(%)
0
1 0,5 0 -s
η
nc
η
R
Chương 9
y
0
= 0
y
0

= x
y
1
= y
4
= x+
9.2.4. HiÖu suÊt cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi cÊp:
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh l u rotor động cơ
không đồng bộ:
a) Trạng thái làm việc thứ nhất:
i
D5
Hình 9.9: Mạch điện chỉnh l u rotor
i
D3
i
D1
I

d
i
a
D
1
D
3
D
5
a
b
i
b
c
i
c
D
2
D
6
D
4
i
D4
i
D6
i
D2
*
*

X
Do
*
e
2a
e
2b
e
2c
2a 20 1
e 2sE sin(s t )
6

= +
1
Do d
20
1
Do d
20
2X sI
cos (1 )
6E s
2X I
cos (1 )
6E


= =
=

20
d
Do
6E
I (1 cos )
2X
=
D0
d d
3X s
U I =

D0
d1 20 d
3X s
U 2,34sE I=

Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh l u rotor động cơ

không đồng bộ
Hình 9.10: Đồ thị điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh l u rotor ứng với
các góc chuyển mạch khác nhau
a)

< 60
o
; b)

= 60
o
;
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh l u rotor động cơ
không đồng bộ
Hình 9.10: Đồ thị điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh l u rotor ứng với
các góc chuyển mạch khác nhau
a)

< 60
o
; b)

= 60
o
; c)

> 60
o
Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh l u rotor động cơ
không đồng bộ:
b) Trạng thái làm việc thứ hai:
Trong hai công thức trên, t ơng ứng với:

p

0,

= 60
0
.
- Dòng điện chỉnh l u trung bình:
( )
20 20
d p p p
D0 D0
6E 6E
I cos cos sin
2X 2X 6



= + = +
ữ


- Điện áp chỉnh l u trung bình:
( )
p p
D0
d1 20 20 p d
cos cos
3sX
U 2,34sE 2,34sE cos I
2
+ +

= =

Chng 9
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh l u rotor động cơ
không đồng bộ: b) Trạng thái làm việc thứ hai:
Hình 9.11: Bộ chỉnh l u rotor I
d
= f(

) , I
d
=f(

p
)
Chương 9
y
0
= 0

y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
9.3.2. M« men ®iÖn tõ cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé khi ®iÒu tèc nèi
cÊp
H×nh 9.12: S¬ ®å thay thÕ t ¬ng ® ¬ng cña hÖ thèng ®iÒu tèc nèi
cÊp ®iÖn lùc
2∆U
T
2∆U
D
2R
D
2R
BA
L
CK
R
CK
K
1
sE
20
cosα
p

K
2
U
2
cosβ
U
d1
U
d2β
I
d
D0
3
sX
π
BA
3
X
π