Tính toán và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
LỜI NÓI ĐẦU
Thế kỉ XXI – thế kỉ của công nghệ thông tin, của khoa học kĩ thuật và công nghệ
tự động. Nhằm đáp ứng nhu cầu của sự phát triển, nâng cao năng suất và chất lượng
sản phẩm. Truyền động điện ra đời là một trong những yếu tố quan trọng:
• Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một
công nghệ sản xuất.
• Truyền động điện là một hệ thống máy móc được thiết kế với nhiệm vụ biến
đổi cơ năng thành điện năng.
• Hệ thống truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc thay
đổi.
Hiện nay khoảng 70-80% các hệ truyền động là loại không đổi, với các hệ thống
này tốc độ hoạt động của động cơ hầu như không cần điều khiển, trừ các quá trình
khởi động và hãm. Phần còn lại 20-25% các hệ thống điều khiển được tốc độ động
cơ để phối hợp được các đặc tính động cơ với đặc tính tải yêu cầu.
Với sự phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn và kĩ thuật vi xử
lý, các hệ thống điều tốc được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong
quá trình tự động hóa sản xuất. Do đó nội dung của tập đồ án chủ yếu tính toán và
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Tập đồ án này có thể làm tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến vấn đề
liên quan đến động cơ không đồng bộ ba pha.
Vì kiến thức và thời gian có hạn, kinh nghiệm thực tế không nhiều, nên tập đồ
án này không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của
quý thầy cô và bạn bè.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện:
Vũ Hồng Thái
Trang 1
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
CHƯƠNG 1
ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA
I. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1: Cấu tạo:
 Động cơ không đồng bộ gồm hai loại: Động cơ Rotor dây quấn và
động cơ Rotor lồng sóc (Động cơ Rotor ngắn mạch)
 Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế.
2: Ưu điểm:
 Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản đặc biệt là
động cơ Rotor lồng sóc. So với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ giá
thành hạ, vận hành tinh cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực
tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi
kèm theo.
3: Nhược điểm
 Nhược điểm của động cơ không động bộ là điều chỉnh tốc độ và
khống chế quá trình khó khăn. Riêng với các động cơ Rotor lồng sóc có các chỉ tiêu
khởi động kém hơn.
Trang 2
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
II. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý
X '
2
I '
2
I
i
I
0
U
1p

R'/S
R
1
X
0
R
0
Hình 3.2 Sơ đồ tương đương
Trong đó:
Trang 3
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
o
000
,, IXR
lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện mạch Stator.
o
111
,, IXR
lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện Rotor đã quy
đổi về Stator.
o
đm
U
1
: Điện áp định mức đặt vào ba pha.
o
P
U
1
: Điện áp pha đặt vào Stator.


0
0
0
0
n
nn
S
−
=
−
=
ω
ωω
: là độ trượt (Hệ số của động cơ)
•
0
ω
: tốc độ góc của từ trường quay (rad/s)
•
ω
: tốc độ góc của từ trường (rad/s)

p
f
n
60
0
=
: tốc độ của từ trường quay (vòng/phút)

•
f
: tần số của điện áp nguồn đặt vào Stator (Hz)
•
p
: là số đôi cực từ của động cơ.
•
n
tốc độ quay của Rotor (vòng/phút)

22
' IKI
qđ
Ι
=
: Dòng điện quy đổi.

Ε
Ι
=
qđ
qđ
K
K
1
:Hệ số quy đổi dòng điện.

22
11
2

1
.
.
dq
dq
đm
đm
qđ
KN
KN
E
U
K
==
Ε
: Hệ số quy đổi sức từ động.
•
21
, NN
:Số vòng mỗi pha dây quấn Stator, Rotor.

đm
E
2
: Sức từ động định mức xuất hiện trên hai vòng trượt
Rotor khi:
- Rotor hở mạch
Trang 4
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
- Đặt điện áp vào Stator là

đm
U
Phương trình đặc tính tốc độ:
2
2
1
1
2
'
'
N
P
X
S
R
R
U
I
+






+
=
Trong đó:
•
21

'XXX
N
+=
: điện kháng ngắn mạch
•
P
RRR '''
2
+=
: điện trở qui đổi
Khi mở máy tốc độ
0
=
n
nên hệ số trượt
1
=
S
( )
2
2
1
1
2
'
'
N
P
mm
XRR

U
I
++
=
⇒
dòng điện khi mở máy :
mm
P
mm
Z
U
I
1
2
'
=
Với :
( )
2
1
'
Nmm
XRRZ
++=
Thông thường :
nmmm
II )74('
2
÷=
II. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ

Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng
công suất động cơ.
Công suất điện từ chuyển từ Startor sang Rotor

1
.
ω
đtđt
MP
=
Trong đó :
•
đt
M
: monment điện từ động cơ
• P
đt
= P
cơ
+ ΔP
phụ
+ ΔP
cu2
Trang 5
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
Nếu tổn hao phụ không đáng kể ΔP
phụ
= 0 thì M
đt
= M

cơ
= M
⇒
P
đt
= P
cơ
+ ΔP
cu2
⇔
M
đm
.ω
0
= M
cơ
.ω + 3P’.I’
2
2
( )
2
20
''.3 IPM
=−⇔
ωω
Mà :
S
IR
MS
0

2
0
0
''3
ωω
ωω
=⇒
−
=
Thay
2
'I
vào ta được:








+






+
=

2
2
1
0
2
1
'
55.9
'.3
nm
P
X
S
R
R
Sn
UR
M
(2)
(2) là phương trình đặc tính cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha.
- Đường biểu diễn của phương trình đặc tính cơ có dạng đường cong nên tọa độ
điểm cực trị được xác định bằng cách giải phương trình
0
=
ds
dM
ta được:
- Độ trượt tới hạn:
22
1

max
'
N
XR
R
S
+
±=
(3)
Thay phương trình (3) vào phương trình (2) ta có:
[ ]
1
22
1
0
2
1
55.9
2
'.3
RXR
n
UR
M
N
P
±+
=
(4)
Trong đó: (+) : ứng với trạng thái động cơ

(-) : ứng với trạng thái máy phát
- Hệ số quá tải về moment:
nm
M
M
M
max
=
λ
Trang 6
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
 Cách vẽ đặt tính cơ khi không biết R
1
,X
1
,R
2
,X
2
chỉ biết các
tham số định mức của động cơ trên nhãn máy và cần thục hiện các bước sau:
M
C
n
0
S
max
M
mm
M

max
b
1
0
S
M
(N.m)
n (vòng/phút)
Hình 3.3 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha
Bước 1: Xác định tọa độ ba điểm đặc biệt.
 Điểm đồng bộ của từ trường:
),0(
0
nnMA
==
• Với n
0
=
p
f60

 Điểm tới hạn : B (M
max
,S
max
)
p
f
n
M

M
đm
M
60
0
max
=⇔=
λ
Mặt khác :








+==
đm
đm
đm
M
S
S
S
S
M
M
max
max

max
2
1
λ
0
0
n
nn
S
đm
đm
−
=
Trang 7
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
M
đm
đm
S
S
S
S
λ
2
max
max
=+
02
2
max

2
max
=+−
đmM
SSSS
đm
λ
Giải phương trình ta được:
)1(
2
2,1max
−±=
MMđm
SS
λλ
 Điểm mở máy :
)0,(
==
nMMC
mm
Bước 2: Thay
1
=
S
vào phương trình (2) ta được:

( )
[ ]
2
2

1
0
2
1
'
55,9
'.3
N
P
mm
XRR
n
UR
M
++
=
Bước 3: lấy nhiều giá trị của S trong khoảng 0
→
1 thay vào biểu thức :
1
1
2
max
max
max
S
S
M
M
mm

+
=
Ta sẽ được moment tương ứng:
S 0 S
1
S
2
………. 1
M M
0
M
1
M
2
………. M
mm
Bước 3: Từ tọa độ (
MS,
) với 3 điểm đặc biệt nối lại ta sẽ được đường đặc tính
cơ của động cơ.
 Các dạng đặc tính cơ:
Lập tỉ số và lấy dấu (+) ta được:
th
th
th
thth
aS
S
S
S

S
aSM
M
2
)1(2
++
+
=
(5)
Trang 8
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
Trong đó:
2
1
'R
R
a
=
22
1
1
max
nm
XR
R
aS
+
=
Đối với động cơ có công suất lớn: R
1

<<X
nm
thì

0
1
max
≈≈
nm
X
R
aS
Lúc này (5) có dạng gần đúng:
•
S
S
S
S
M
M
max
max
max
2
+
=
(6)
•
nm
X

R
S
2
max
'
±=
(7)
•
nm
P
X
n
U
M
55,9
2
3
0
1
max
±=
(8)
 Cách vẽ đặc tính cơ khi không biết các thông số R
1
, X
1
, R
2
,X
2

mà chỉ
biết
M
λ
:
Xác định tọa độ 3 điểm đặc biệt:
p
f
n
60
0
=
Tọa độ điểm giới hạn:
Thay tọa độ điểm làm việc định mức vào phương trình đặc tính cơ (6)
đm
đm
đm
S
S
S
S
M
M
max
max
max
2
+
=
Trang 9

Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
⇔
M
đm
đm
đm
M
M
S
S
S
S
λ
2
2
max
max
max
==+
⇔
02
2
max
2
max
=+−
đmđmM
SSSS
λ
giải phương trìh bậc 2 theo

max
S
ta được tọa độ
điểm tới hạn
),(
maxmax
SMB
Thay
1
=
S
vào phương trình (6) ta được:
1
1
2
max
max
max
S
S
M
M
mm
+
=
Lấy giá trị tùy ý của S thay vào phương trình (6) ta tìm được
M
:
S 0 S
1

S
2
S
3
… S
max
M M
1
M
2
M
3
… M
Hệ số moment mở máy:
155,9
>=
đm
mm
M
M
M
K
(
21: →
M
K
)
Hệ số dòng điện mở máy:
đm
mm

I
I
I
K
=
(
74: →
I
K
)
 Nhận xét:






<
<<−
>>
0
01
2
00
M
s
nnn
Đoạn đặc tính hãm tái sinh (hãm máy phát).






>
<<
>>
0
10
0
0
M
s
nn
Đoạn đặc tính động cơ quay thuận.
Trang 10
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải





<
<<
<<−
0
21
0
0
M
s

nn
Đoạn đặc tính động cơ quay ngược.
MFĐC
MM
maxmax
=
III. ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ ĐẾN DẠNG ĐẶC TÍNH CƠ
1. Ảnh hưởng của điện áp:
Khi điện áp đặt vào động cơ giảm:
• Từ phương trình:
[ ]
1
22
1
0
2
1
max
55,9
2
3
RXR
n
U
M
N
P
±+
=
(

∗
)
Ta thấy moment tới hạn giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ giảm của điện áp.
• Trong khi tốc độ đồng bộ:
60
2
0
n
n
π
=
không thay đổi.
• Độ trượt tới hạn
22
1
2
max
'
nm
XR
R
S
+
=
không thay đổi.
- M
max
nói lên khả năng quá tải của động cơ.
- Moment mở máy (
2

12 Pmm
UKM
=
) giảm theo tỉ lệ bình phương lần độ suy giảm
của điện áp.
Trang 11
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
0
0
S
U
1
U
2
TN(Udm)
M
(N.m)
M
C
U2<U1<Udm
S
max
n
n
0
Hình 3.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha khi thay đổi điện áp
2. Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch
Stator.
- Khi thêm điện trở phụ
P

R
vào Stator thì tốc độ đồng bộ không đổi, độ trượt
tới hạn
max
S
giảm, moment tới hạn
max
M
giảm và momet mở máy
mm
M
cũng
giảm.
R
1
L
3
L
2
L
1
M
Trang 12
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
Hình 3.5. Động cơ không đồng bộ 3 pha khi điện trở phụ.
- Khi thêm điện kháng phụ
P
X
(giả sử
PP

RX
=
) vào mạch Stator thì tốc độ n
0

không đổi, độ trượt tới hạn giảm (vẫn còn lớn khi thêm
P
R
), moment mở máy
mm
M
giảm (bằng với khi thêm
P
R
).
X
p
L
3
L
2
L
1
M
R
p
Hình 3.6 Động cơ không đồng bộ khi thêm điện kháng và điện trở phụ
Ta thấy khi thêm
P
X

ta tăng được khả năng quá tải của động cơ (
th
M
nói lên
khả năng quá tải của động cơ).
Đặc tính cơ khi thêm
P
R
và
P
X
có dạng:
3. Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor
- Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thay
đổi được điện trở mạch Rotor. Việc thay đổi chỉ sử dụng đối với động cơ không
đồng bộ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngoài qua hệ vòng
trượt - chổi than.(như hình vẽ)
Trang 13
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
- Dễ thấy điện trở mạch rotor
2
R
-

do đó điện trở quy đổi
2
R
-

chỉ có thể thay

đổi về phía tăng. Khi
2
'R
tăng thì độ trượt tới hạn tăng, còn tốc độ đồng bộ và
moment tới hạn giữ nguyên.
0
n
0
M
S
M
max
R
p2
>R
p1
R
p2
R
p1
TN
S
max2
S
max1
S
max
n
0
Hình 3.7: Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn rotor.

4. Ảnh hưởng của số đôi cực từ P.
Ta có :
)1(
60
)1(
0
S
p
f
Snn
−=−=
- Khi tăng (giảm) số đôi cực từ
p
thì tốc độ n
0
giảm (tăng) nên tốc độ quay
của Rotor giảm (tăng) . Còn
max
S
không phụ thuộc vào
P
nên không thay đổi,
nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên.Nhưng khi thay đổi số đôi cực từ
sẽ thay đổi cách đấu dây ở Stator động cơ nên một số thông số như
11
, XR
có thể
thay đổi. Do đó tùy vào trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau dến moment tới hạn
max
M

của động cơ.
 Dạng của đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực từ
p
còn phụ thuộc vào yêu
cầu của việc đổi tốc độ.
• Đổi tốc độ đảm bảo moment không đổi.(
∆
/YY)
Trang 14
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
S
n
P=1
P=2
0
n
01
n
02
Hình 3.8
• Đổi tốc đảm bảo công suất không đổi.
(YY/
∆
)
M
0
n
02
n
01

p=2
p=1
n
Hình 3.9
• Đổi tốc đảm bảo moment và công suất không đổi. (YY/Y)
Trang 15
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
M
n
0
n
02
n
01
p=2
p=1
Hình 3.10
5. Ảnh hưởng của tần số:
- Từ biểu thức
p
f
n
60
0
=
ta thấy khi thay đổi tần số sẽ làm tốc độ động cơ thay
đổi.
- Từ biểu thức (7)
nmnm
Lf

R
X
R
S
1
max
2
''
π
==
Trong đó:
1
f
là tần số điện áp đặt vào Stator.
Khi thay giảm
1
f
thì
max
S
và
max
M
tăng nhưng
max
M
tăng mạnh hơn. Do đó độ
cứng đặc tính cơ tăng khi
1
f

giảm.
- Khi
1
f
giảm xuống dưới
đm
f
thì tổng trở các cuộn dây giảm nên giữ nguyên
điện áp cấp
đm
U
thì dòng điện động cơ sẽ tăng đốt nóng động cơ quá mức.
- Từ biểu thức (8)
1
2
1
1
2
1
max
2
55,9
602
3
2
55,9
602
3
fL

pU
Lf
PU
M
nm
P
nm
P
××
×
=
×
×
×
=
ππ
khi tần số thay
đổi sẽ làm thay đổi
max
M
.
Trang 16
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
- Khi tăng tốc độ thì khả năng quá tải của động cơ sẽ giảm đi. Muốn giữ khả
năng quá tải không thay đổi thì phải kết hợp điều chỉnh tần số và điện áp sao cho tỷ
số:
const
f
U
P

=
1
.
⇒
Như vậy
max
M
sẽ giữ không đổi ở vùng
ff
<
1
(hình 3.15). ở vùng f
1
>f
đm

thì không thể tăng điện áp nguôn cấp mà giữ
đm
UU
=
1
nên ở vùng này
max
M
sẽ
giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số.
1
max
1
f

S
=
2
1
max
1
f
M
=
n
0
f<f
1dm
f=f
1dm
f>f
1dm
M(N.m)
n(vòng/phút)
Hình 3.11. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số.
IV. MỞ MÁY VÀ TÍNH ĐIỆN TRỞ MÁY
- đối với động cơ Rotor dây quấn để hạn chế dòng khởi động và tăng moment
khởi động người ta đưa điện trở phụ vào mạch Rotor trong quá trình khởi động sau
đó loại dần các điện trở phụ này theo từng cấp.
Trang 17
Đồ án: TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN GVHD: Trần Văn Hải
- khi đóng điện trực tiếp vào Stator động cơ không đồng bộ thì thoạt đầu do
Rotor chưa quay ,độ trượt lớn (
1
=

S
) nên sức điện động cảm ứng và dòng điện
cảm ứng lớn.
nmmm
II )85(
÷=
-

Dòng điện này có giá trị đặc biệt lớn ở các loại động cơ công suát trung bình và
công suất lớn.
nmmm
MM )5,15,0(
÷=
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động được biểu diễn trên hình vẽ.
M
C
M
mm
i
0
k
III
II
I
t
(vòng/phút)
n
0
M
2

M
1
M
(N.m)
h
g
f
e
d
c
b
a
M
max
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính khởi động.
• Để xác định trị số các cấp điện trở khởi động ta có thể sử dụng sơ đồ các đặc
tính đã được tuyến tính hóa trong đoạn khởi động.
 Quá trình khởi động như sau:
• Bước 1: Dựa vào các thông số định mức của động cơ tiến hành vẽ đường
đặc tính cơ tự nhiên.
Trang 18