Đồ án môn tổng hợp hệ điện cơ

GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Họ tên sinh viên: Trần Doãn Đạt
Hệ đào tạo: Dài hạn chính quy
Lớp: K8Z Điện công nghiệp
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử
Giáo viên hướng dẫn: Phạm Văn Tuấn
ĐỀ TÀI: Tính toán, thiết kế hệ truyền động động cơ KĐB rotor dây quấn – phương
pháp nối tầng.
- Số liệu cho trước của động cơ rotor dây quấn như sau:
- Động cơ rotor dây quấn loại KQ450-8.
- Công suất định mức

Pdm

= 200kW.

- Điện áp: 660/380 V nối Y/
- Tần số 50 Hz.

∆

.

- Tốc độ định mức của động cơ:

ndm

φ

= 735 vòng/phút.

- Hệ số công suất: cos =0,86
- Hiệu suất:

η

=93%

- Điện áp rotor định mức của động cơ:
- Dòng điện rotor định mức:
I mm / I dm ≥ 4,5

I 2dm

U 2dm

=450 V.

=287 A.

M max / M dm = 2,8

- Tỷ số:
;
.
- Số đôi cực p=4; Máy kiểu kín, làm việc liên tục; Cấp cách điện F.
- Cấp bảo vệ IP 44.

- Điện trợ và điện kháng stator:

R1

=0,064

R2

Ω
Ω

;

X1
X2

= 0,28

Ω
Ω

.

- Điện trợ và điện kháng rotor: = 0,015 ; = 0,14 .
NỘI DUNG:
Chương 1: Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB.
Chương 2: Sơ đồ thiết kế.
Chương 3: Tính toán và lựa chọn các phần tử của mạch lực.
Chương 4: Tính toán lựa chọn mạch điều khiển.
Chương 5: Điều chỉnh tốc độ và đặc tính điều chỉnh của hệ kín.

Ngày nhận đề tài: 09/01/2017; Ngày hoàn thành:…/…/2017.
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 1


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện
Vinh, ngày…tháng…năm 2017.
Giáo viên hướng dẫn
Phạm Văn Tuấn
Lời mở đầu

ATrong quá trình sản xuất, truyền động điện là một trong những khâu quan
trọng để tạo ra năng suất lao động lớn. Điều đó càng được thể hiện rõ nét trong các
dây truyền sản xuất, trong các công trình xây dựng hiện đại, truyền động điện đóng
vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. vì
thế các hệ thống truyền động điện luôn được quan tâm nghiên cứu để nâng cao chất
lượng sản phẩm.
Do có nhiều ưu điểm cả về kinh tế lẫn kỹ thuật nên động cơ không động bộ ngày
càng được sử dụng phổ biến trong nền kinh tế quốc dân cũng như đời sống hàng
ngày. Vì vậy việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một trong những vấn đề
quan trọng.
Trong quá trình học tập chúng em đã được học, nghiên cứu nhiều phương pháp
điều khiển động cơ không đồng bộ và trong phạm vi đồ án tốt em chỉ đi sâu nghiên
cứu thiết kế hệ điều khiển cho động cơ không động bộ rôto dây quấn theo phương
pháp nổi tầng.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy Phạm Văn Tuấn em đã hoàn thành đồ án
của mình với đề tài “Tính toán,thiết kế hệ truyền động động cơ KĐB rôto dây quấnphương pháp nổi tầng”.

Do thời gian và hiểu biết thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thiết kế còn có
những sai sót nhất định, em mong được sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô trong bộ
môn để em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày / /2017.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 2


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện
Sinh viên
Trần Doãn Đạt
Chương 1

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ (KĐB).
1. Khái quát về máy điện KĐB.
Động cơ xoay chiều KĐB được sử dụng nhiều nhất trong thực tế hiện nay nhờ các
ưu điểm: Đơn giản về cấu tạo, nhỏ gọn, hoạt động tin cậy, giá thành rẻ và chi phí vận
hành thấp. Hơn nữa nó có thể đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều ba pha mà không
cần qua một thiết bị biến đổi nào.
Có hai loại động cơ KĐB :
+ Động cơ KĐB rôto dây quấn.

+ Động cơ KĐB rôto lồng sóc.

Hình 1.1 Ký hiệu động cơ KĐB
2. Đặc tính cơ của động cơ KĐB.
Theo điều kiện cân bằng công suất trong động cơ, nếu gọi:
- Công suất điện từ chuyển từ stato vào rôto là P12.
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 3


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

- Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ là Pcơ.
- Công suất tổn thất trên động cơ là

∆

P.

∆

Ta có P12=Pcơ+ P.
Trong đó: P12=Mdt.

ω0

ω

.

Pcơ=M. .

Khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng: tức là coi các thông số dây quấn như điện
trở, điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất trong lõi
thép và tổn thất do ma sát thì mômen cơ bằng mômen điện từ còn tổn hao công suất
khi ấy chỉ xét đến tổn hao đồng do rôto gây ra bên trên điện trở mạch rôto, tức là:
∆

≈

∆

Mđt M và P= P2=3.I2’2.R2’.
Trong đó: I2’: Dòng rôto đã quy đổi về stato.
R2’: Điện trở Rôto đã quy đổi về stato.
U1
I 2' =
R2' 2
2
( R1 + ) + X nm
s
(1).
Trong đó: Xnm=X1+X2’ : Điện kháng ngắn mạch của động cơ.
U1: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.
R1, X1: Điện trở tác dụng và điện kháng stato.
R2’,X2’: Điện trở tác dụng và điện kháng rôto đã quy đổi về stato.
s: Hệ số trượt.
Theo biểu thức

∆

P12=Pcơ+ P

Ta có: M

ω
0

⇔

Thay s=

ω − ω0
ω0

SVTH: Trần Doãn Đạt

ω

2

=M +3.I2’ .R
ω0 .

M.

ω − ω0
ω0

’
2

⇔

M.

( ω − ω0 )

=3.I2’2.R2’

= 3.I2’2.R2’.

vào biểu thức trên ta có: M=

Page 4

3.I 2'2 .R2'
ω 0 .s

(2).


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện
3.U 12 .

R2'
s

2


R2' 
2

ω 0  R1 +  + X nm
s 



Thay I2’ từ biểu thức (1) vào (2) ta có:
M=
(3).
Đây là phương trinh đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, cho s các giá trị khác
ω = ω 0 (1 − s)

nhau, tức là ứng với mỗi giá trị tốc độ
ta có các giá trị mômen M tương
ứng, từ đó ta có đặc tính cơ cua đông cơ KĐB như sau:

ω
ω0
ω đm

.

Hình 1.2
Đặc tính cơ của động cơ KĐB

Các điểm cực trị của đừong cong đặc tính cơ trên gọi là điểm tơi hạn ứng với các tọa
độ:
R2'
2
R12 + X nm

- Độ trựơt tới hạn: sth=

.

[

3U 12

2
2ω 0 R1 + R12 + X nm

]

- Mômen tới hạn: Mth=
.
Nếu biểu diễn phương trình (3) thông qua độ trượt tới hạn và mômen tới hạn ta có
dạng phương trình đặc tính cơ thông dụng dạng Closs như sau:

M=

2M th (1 + a.sth )
s sth
+
+ a.sth

sth
s

SVTH: Trần Doãn Đạt

Trong đó a=
Page 5

R1
R2'

.


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Đặc tính cơ trên cho thấy quan hệ giữa tốc độ động cơ và mômen được chia làm 2
đoạn:
- Đoạn 1 từ điểm không tải lý tưởng (s=0,
đoạn công tác có độ cứng

β <0

ω = ω0

) đến điểm tới hạn (s=sth) gọi là

, động cơ chỉ làm việc xác lập trên đoạn này.

- Đoạn 2 từ tới hạn tới điểm ngắn mạch (s=1,
trong quá trình khởi động hoặc quá độ.

ω

=0) có độ cứng

β >0

và chỉ tồn tại

II. Các nguyên tắc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB.
ω0

2.π . f
p

Thay =
với f là tần số dòng điện trong stato, p số đôi cực của động cơ.
và Xnm=X1+X2’ vào biểu thức (3) ta có :
3.U 12 .
2πf
p

R2'
s

2


R2' 
 + X 1 + X 2'
 R1 +
s 


(

)

2





M=
(4).
Từ phương trình trên cho thấy ta có thể điều khiển được động cơ KĐB bằng cách tác
động vào các thông số: Điện trở, điện kháng mạch rôto R 2, X2; điện áp stato U1; điện
trở và điện kháng stato R1 ,X1; tần số dòng điện stato f; và số đôi cừc p. Ngoài các
phương pháp tác động vào các thông số trên người ta còn điều khiển động cơ KĐB
bằng các sơ đồ đặc biệt để điều khiển động cơ thông qua điều chỉnh công suất trượt
trong mạch rôto, đó là các sơ đồ tầng. Ta sẽ lần lượt khảo sát các phương pháp trên:
1. Điều khiển động cơ bằng điện trở phụ trong mạch rôto Rf.
Phương pháp này được sử dụng cho động cơ KĐB rôto dây quấn thông qua việc sử
dụng điện trở phụ Rf mạch rôto.

ω

Sơ đồ nguyên lý:

SVTH: Trần Doãn Đạt

ω0

Page 6


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Hình 1.3 Sơ đồ và đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện trở phụ rôto
Với phương pháp này ta có mômen tới hạn của động cơ:
≈

Mth

3.U 12
2ω 0 . X nm

=const.

ω0 =

Tốc độ không tải lý tưởng:

2.π . f
p

=const.

R2 t
≡ R 2t
X nm

Độ trượt tới hạn:
sth=
.
Trong đó: R2t=R2+Rf là điện trở tổng trong mạch rôto.

Khi tăng điện trở phụ Rf khiến cho độ trượt tới hạn sth tăng khiến cho độ cứng đặc tính
cơ

β

giảm do đó điều chỉnh được tốc độ làm việc và mômen ngắn mạch của động cơ.
Để tăng chất lượng điều chỉnh tốc độ, người ta dùng loại biến trở xung là loại biến
trở tự động có thể điểu khiển nhờ khóa đóng cắt bằng linh kiện điện tử. Tuy nhiên
phương pháp này chỉ sử dụng cho điều khiển rôto dây quấn.
2. Điều khiển động cơ bằng điện áp stato.
Theo biểu thức (4) cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp stato U 1 đến các thông số đầu
ra của động cơ. Do vậy có thể điều khiển động cơ thông qua điện áp stato U 1. Việc
điều khiển được thực hiện sử dụng một bộ nguồn có điện áp ra thay đổi (U 1=var) để
cung cấp cho stato của động cơ:
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 7

GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Sơ đồ:

Hình 1.4 Sơ đồ và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện áp stato.
Do dòng điện động cơ tỷ lệ với bình phương của điện áp U, độ trượt tới hạn s th không
thay đổi theo điện áp.
≡

Inm U1.
≡

≡

Mnm U12.
≡

Mth U12.
sth const.
Như vậy ta có đặc tính cơ khi thay đổi điện áp stato như trên.
Việc điều khiển đối với động cơ KĐB rôto dây quấn và rôto lồng sóc có khác nhau.
- Đối với động cơ KĐB rôto lồng sóc: Do độ trượt tới hạn nhỏ,nên phần công tác
trên các đặc tính điều chỉnh ngắn dẫn đến hiệu quả điều chỉnh tốc độ không cao.
Do đó áp dụng phương pháp thường áp dụng phương pháp này cho điều chỉnh
mômen và dòng điện khởi động.
- Đối với động cơ rôto dây quấn. Người ta thường đưa thêm một bộ điện trở cố
định và ba pha của rôto để làm tăng thêm độ trượt tới hạn của động cơ, do đó mở

rộng được vùng điều chỉnh, tăng hiệu quả của điều chỉnh động cơ, do đó phương
pháp này được áp dụng để điều chỉnh tốc độ.
3. Điều khiển động cơ KĐB bằng biến đổi tần số.
Việc điều khiển động cơ KĐB bằng biến đổi tần số được dùng rộng rãi do tạo ra
cho động cơ KĐB khả năng điều chỉnh các thông số đầu ra vượt trội.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh cả mômen và tốc độ động cơ với chất lượng
cao.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 8


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Sơ đồ khái quát của hệ bao gồm bộ nguồn biến tần có khả năng điều chỉnh, biến đổi
tần số và điện áp hoặc dòng điện cấp cho stato của động cơ và một khối điều khiển
dùng để xử lý các tín hiệu điều khiển hệ thống.

ω

ω1
ω0

ω dm

ω2

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính nhân tạo khi biến đổi tấn số
Ưu điểm của phương pháp: Các đặc tính nhân tạo có thể thấp hơn nếu fcũng có thể cao hơn nếu f>fđm, tức là tốc độ làm việc nlv có thể lớn hơặc nhỏ hơn tốc
độ định mức nđm
Phương pháp này ứng dụng nhiều trong các hệ truyền động tự động hiện đại dùng
động cơ KĐB.
4. Điều khiển động cơ KĐB bằng thay đổi số đôi cực p.
ω0 =

Xuất phát từ các biểu thức

2.π . f1
p

và

ω = ω 0 .(1 − s)

Ta thấy khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ
cơ

ω

ω0

thay đổi theo, do đó tốc độ rôto động

thay đổi.
Để sử dụng phương pháp này người ta chế tao hai loại động cơ có khả năng thay
đổi số đôi cực.

- Loại có hai bộ dây quấn stato riêng biệt, mỗi bộ có một số đôi cực riêng biệt.
- Loại có một bộ dây quấn nhưng mỗi pha đều chia làm 2 phân đoạn, khi đổi nối ta
sẽ có các số đôi cực khác nhau.

ω

ω 02

ω 01
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 9


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Hình 1.6 Họ đặc tính cơ khi thay đổi p
Nhược điểm của phương pháp :
- Vì p chỉ có thể thay đổi theo các số tự nhiên do đó tốc độ thay đổi nhảy cấp.
- Phương pháp này không kinh tế.
5. Điều khiển động cơ KĐB bằng điện trở và điện kháng phụ mạch stato.
Về nguyên lý, điện trở phụ stato R f1 và điện kháng phụ stato Xf1 đều có ảnh hưởng
đến đặc tính cơ của động cơ KĐB. Tuy nhiên do hạn chế của dạng đặc tính và chỉ tiêu
chất lượng thấp, do đó ít được sử dụng trong điều chỉnh tốc độ.
Sơ đồ nguyên lý và đặc tính điều chỉnh.

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính cơ.
Đối với động cơ KĐB rôto lồng sóc có công suất trung bình và lớn, để hạn chế dòng

điện khởi động, người ta mắc thêm điện trở phụ hoặc điện kháng phụ vào stato.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 10


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

6. Điều khiển động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện kháng rôto X2.
Theo biểu thức (4) ta thấy có thể điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp thay
π

đổi điện kháng rôto X2, tuy nhiên theo biểu thức X2=2. .f2.L2
Với f2 là tần số dòng điện trong rôto f 2=f1.s nhỏ vì s rất nhỏ, do đó muốn có X 2 lớn cần
có điện cảm L2 lớn nên phương pháp này không kinh tế nên trong thực tế không dùng
phương pháp này để điều khiển động cơ KĐB.
7. Điều khiển động cơ KĐB bằng sơ đồ tầng.
Như đã trình bày, khi động cơ làm việc ở tốc độ

ω

tương ứng với tốc độ trượt s

nào đó, công suất lấy từ lưới điện sau khi chuyển thành công suất điện từ P 12=Mđt.
ω

ω0

∆

chia làm 2 phần chính: Công suất cơ Pcơ=M. và công suất trượt Ps=P12.s chuyển
vào mạch rôto.
Giả thiết bỏ qua các tổn thất trên các dây quấn, trên lõi thép và ma sát trên ổ trục ta
∆

có: P12=Pcơ+ Ps.
∆

Đối với các hệ thống điều khiển đã xét ở trên,Công suất tiêu tán Ps tỷ lệ với hệ số
trượt s. Điều chỉnh càng sâu độ trượt càng lớn, tổn thất càng lớn dẫn đến chỉ tiêu năng
lượng càng thấp.
∆

Do vậy, đối với các động cơ KĐB rôto dây quấn công suất lớn có Ps lớn người ta
sử dụng phương pháp điều khiển theo sơ đồ tầng nhằm mục đích sử dụng có ích công
suất trượt khi điều chỉnh tốc độ động cơ.
Để thực hiện được ý tưởng trên người ta đưa vào mạch rôto một thiết bị biến đổi để
∆

tiếp nhận năng lượng Ps rồi biến đổi nó thành cơ năng bổ sung vào trục của động cơ
cùng máy sản xuất hoặc thành điện năng có tần số bằng tần số lưới điện và trả về lưới.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 11

GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

a
b
Hình 1.8 Biểu đồ năng lượng trong các sơ đồ tầng: a, tầng điện cơ; b, tầng điện

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 12


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

CHƯƠNG 2.
SƠ ĐỒ THIẾT KẾ
Động cơ yêu cầu điểu khiển là động cơ KĐB rô to dây quấn có công suất lớn,
Do đó để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu năng lượng ta chọn phương pháp điều
khiển động cơ sử dụng sơ đồ tầng.
I. Khái quát sơ đồ tầng.
Khi động cơ hoạt động nó sinh ra một năng lượng trượt ở mạch rô to . Khi đưa một
E2 − E f
Z

suất điện động phụ Ef vào, dòng điện roto được xác định theo biểu thức: I2=
Giả thiết Mc=const và động cơ đang làm việc xác lập trên đặc tính ứng với một giá
trị Ff nào đó. Nếu tăng Ef lên thì thì dòng điện I2 giảm, mô men điện từ của động cơ

giảm và có chỉ số nhỏ hơn Mc, nên tốc độ của động cơ giảm. Khi tốc độ giảm, độ trượt
s tăng lên làm cho E2=E2nm.s tăng lên. Kết quả là dòng điện I 2 và mômen điện từ của
động cơ tăng lên. Cho đến khi mô men của thiết bị nối tầng cân bằng với momen M c
thì quá trình giảm tốc kết thúc, động cơ làm việc xác lập với tốc độ thấp hơn trước.
Khi E2=Ef thì I2=0 động cơ làm việc với tốc độ không tải lý tưởng. Khi E f=0 động cơ
làm việc trên đặc tính gần với tự nhiên .
Người ta chia sơ đồ tầng thành 2 loại theo nguyên lý biến đổi năng lượng trượt của
động cơ:
1.Sơ đồ tầng điện.
U1,f1
~

Luoi dien
P1=P12
ĐK

E2,f2

 Pco

ÐC

 Ps

BBĐ

TBBÐ
U1,f1

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 13


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và biểu đồ năng lượng của hệ thống nối tầng.
Trong các sơ đồ nối tầng loại này, năng lượng trượt có tần số f 2=f1’.s ở mạch rôto
của động cơ không đồng bộ được đưa đến đầu vào của bộ biến đổi BBĐ. Qua bộ biến
∆

∆

đổi sau khi trừ tổn thất trong dây quấn rôto Pd và tổn thất trong bộ biến đổi
Pb ,
năng lượng trượt được biến đổi thành điện năng P đ trả về lưới như như giản đồ năng
lượng. trong các sơ đồ này bộ biến đổi và động cơ chỉ liên hệ về điện với nhau vì vậy
gọi là sơ đồ nối tầng điện.
Mômen trên trục của thiết bị nối tầng là
M=

Pco
ω
∆

Khi phụ tải định mức: Pcơ =Pđm=P12đm- Psđm= Mđm.
ω = ω ' dm = ω 0 (1 − s

'
dm

)

(

'
ω 0 s dm

=Mđm.

'
ω 0 (1 − s dm
)

)

'
Pcodm M dm .ω 0 1 − s dm
=
= M đm = const
'
'
ω dm
ω 0 . 1 − s dm

(

)

M=
Nghĩa là trong các sơ đồ tầng điện khi làm việc trên các đặc tính điều chỉnh mômen
của động cơ không đổi và bằng định mức. Trong các công thức trên
độ và độ trượt khi tải định mức trên các đặc tính điều chỉnh.
2.Sơ đồ tầng điện cơ.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 14

'
ω đm
,

và sđm’ là tốc


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý và biểu đồ năng lượng của hệ thống nối tầng điện cơ.
Trong các sơ đồ nối tầng loại này năng lượng trượt sau khi qua bộ biến đổi được
biến thành điện năng và đưa đến động cơ phụ ĐP. Động cơ phụ lại biến điện năng
thành cơ năng đưa lên trục động cơ ĐK như trên giản đồ năng lượng. Như vậy hệ
thống biến đổi gồm BBĐ và ĐP liên hệ với ĐK cả về điện lẫn cơ. Vì vậy gọi là sơ đồ
tầng điện cơ.
Công suất tổng đưa ra trên trục của thiết bị nối tầng điện cơ là:
Pt=Pđm.(1-s)+Pđm.s=Pđm=const.

Nghĩa là ở các sơ đồ nối tầng điện cơ khi làm việc trên các đặc tính điều chỉnh, công
suất của hệ không đổi và bằng định mức./
II.Các sơ đồ nối tầng có thể sử dụng.
1.Sơ đồ nối tầng máy điện.
a. Sơ đồ và nguyên lý
~

PĐ

ĐC
CD

MC
+

BĐ

Rf

Hình 2.3a: Sơ đồ nối tâng điện.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 15


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

MC
ĐC

BĐ

Hình 2.3b: Sơ đồ nối tầng điện cơ.
Trong các sơ đồ trên:
ĐC là động cơ chính cần điều chỉnh tốc độ.
BĐ là máy biến đổi để tạo nên Ef.
MC là máy một chiều để biến điện năng thành cơ năng đưa lên trục của máy phát
đồng bộ PĐ trong sơ đồ tầng điện hoặc đưa vào động cơ chính trong sơ đồ tầng điện
cơ.
FĐ là máy phát xoay chiều đồng bộ để biến cơ năng thành điện năng trả về lưới.
Rf là điện trở phụ để khởi động động cơ chính ĐC.
CD là cầu dao để chuyển đổi mạch rôto của ĐC từ trạng thái khởi động sang trạng
thái làm việc.
Đối với sơ đồ tầng điện trên BĐ có thể là máy biến đổi phần ứng hoặc máy biến tần.
Đối với sơ đồ này, việc điều chỉnh chỉnh tốc độ có thể thực hiện phía trên hoặc phía
dưới tốc độ đồng bộ, nghĩa là có hai vùng điều chỉnh tốc độ:
Vùng tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ : Dòng năng lượng theo chiều từ rôto của
ĐC qua hệ thống biến đổi rồi về lưới.
Vùng tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ : Dòng năng lượng sẽ có chiều ngược lại.
Đối với sơ đồ tầng điện cơ: Điều chỉnh tốc độ chỉ thực hiện phía dưới tốc độ đồng
bộ nghĩa là chỉ có một vùng điều tốc . Dòng năng lượng luôn theo một chiều từ rôto
ĐC qua hệ thống biến đổi rồi đưa lên trục động cơ.
Nhân tố quan trọng nhất quyết định trạng thái làm việc của hệ thống là sức điện
động phụ Ef đưa vào rôto của động cơ ĐC bằng cách thay đổi E f hoặc góc lệch pha
của Ef và E2 của rôto ĐC ta sẽ điều chỉnh được tốc độ của thiết bị nối tầng . Trị số của
Ef có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh kích từ của MC, góc lệch pha có thể thay đổi
bằng cách điều chỉnh dòng kích từ của máy BĐ.

b. Nhược điểm.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 16


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Nhược điểm của các sơ đồ nối tầng máy điện đó là: Sử dụng quá nhiều các máy
điện quay do đó kích thước và trọng lượng lớn, làm việc ồn ào, giá thành cao.
2.Sơ đồ nối tầng van- máy điện.
Để khắc phục nhược điểm của các sơ đồ nối tầng máy điện, giảm bớt số lượng các
máy điện quay người ta sử dụng các bộ biến đổi can tĩnh thay cho các máy biến đổi
năng lượng trượt BĐ trong các sơ đồ nối tầng máy điện

a. Sơ đồ và nguyên lý

ĐC
MC
-

FĐ
ĐC

MC

+

Id

Id

Hình 2.4 Sơ đồ nối tầng điện.

Sơ đồ nối tầng điện cơ.

Trong các sơ đồ trên sức điện động Ef đưa vào mạch rôto ĐC là sức địện động một
chiều do MC tạo ra.
Dòng năng lượng chỉ theo một chiều từ rôto của ĐC đến bộ biến đổi do đó chỉ điều
chỉnh tốc độ ở vùng thấp hơn tốc độ cơ bản.
Dòng điện chỉnh lưu của mạch rôto Id được xác định theo biểu thức
Id =

K S .E 2 − E mc K S .E 2 − KΦ mcω mc
=
Rt
Rt

Trong đó :
E2: Trị số của sức điện động pha của rôto ĐC.
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 17


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

KS: Hệ số sơ đồ chỉnh lưu.
Rt: Điện trở tổng Rt=R2+RCL.
Φ

ω

Emc=K. mc. mc: Sức điện động máy một chiều MC.
Điều chỉnh tốc độ thiết bị nối tầng trong các sơ đồ này thực hiện bằng cách thay đổi
dòng kích từ của máy một chiều MC dẫn đến thay đổi E mc, thay đổi Id khiến cho I2
thay đổi theo biểu thức:
Id=Ki.I2
Trong đó Ki là hệ số phụ thuộc vào hệ chỉnh lưu.

b. Nhược điểm.
Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ nối tầng van-máy điện là vẫn phải dùng máy điện
quay trong bộ biến đổi (MC). Để khắc phục được nhược điểm này người ta dùng bộ
biến đổi van tĩnh gọi là “ Sơ đồ nối tầng van”.
3.Sơ đồ nối tầng van.
a. Sơ đồ và nguyên lý
Ul

BA
U2ba

ĐC
E2

I2

CL

KL

E2d

NL

Ebd

Id

Hình 2.5 Sơ đồ nối tầng van
Trong sơ đồ trên năng lượng trượt từ rôto động cơ chính ĐC, Sau khi qua bộ chỉnh
lưu trở thành năng lượng một chiều nó lạii được biến thành xoay chiều nhờ bộ ngịch
lưuvà trả về lưới qua biến áp BA. Sức điện động phụ E f đưa vào mạch rôto của động
cơ không đồng bộ ĐC là sức điện động của bộ nghịch lưu.
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 18


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Trị số của sức điện động phụ được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc thông sớm của
các van Tiristo.
Bộ nghịch lưu NL(biến đổi) gồm các tiristo được điều khiển đóng mở bằng điện áp

lưới do đó năng lượng trượt một chiều sẽ được biến đổi thành xoay chiều có tần số của
điện áp lưới.
Theo sơ đồ này ta có:
E 2 d − Ebđ
Rt

Id=Ki.I2=
Trong đó: Rt=RCL+RNL+R2 là điện trở tổng
RCL: Điện trở bộ chỉnh lưu.
RNL: Điện trở bộ nghịch lưu.
R2: Điện trở rôto.
Ebđ: Sức điện động phụ.
α

Ebđ=ENL=Ud0.cos =-Ud0.cos

β

β

: Góc mở chậm của Tiristo.
U d0=Ku.U2ba=2,34.U2ba. với Ku là hệ số phụ thuộc sơ đồ nghịch lưu,
với nghịch lưu cầu 3 pha ta có Ku=2,34. U2ba là điện áp thứ cấp máy biến áp.
α

Như vậy khi thay đổi góc mở
sẽ thay đổi được Ebđ dẫn đến thay đổi Id làm cho I2
thay đổi do đó điều khiển được tốc độ động cơ không đồng bộ ĐC.
b. Ưu điểm.
Như vậy trong các sơ đồ trên, việc sử dụng sơ đồ nối tầng van có nhiều ưu điểm

hơn:
- Giá thành rẻ.
- Kết cấu đơn giản, kích thước, khối lượng nhỏ gọn.
- Không ồn ào khi làm việc.
Từ các so sánh đánh giá trên tc chọn sơ đồ thiết kế là sơ đồ nối tầng van để điều khiển
động cơ không đồng bộ.
III.Các số liệu dùng cho tính toán, thiết kế hệ thống.
1. Số liệu cho trước của động cơ.
- Động cơ rôto dây quấn loại KQ450-8.
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 19


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

- Công suất định mức : Pđm=200 kW.

∆

- Điện áp: 660/380 V Y/ .
- Tần số:50 Hz.
- Tốc độ định mức của động cơ: nđm = 735 vòng / phút.
- Hệ số công suất: cos

η

φ

= 0,86.

- Hiệu suất = 93 %.
- Điện áp rotor định mức: U2dm= 450 V.
- Dòng điện định mức trong rotor: I2đm= 287 A.
-

≥

Tỷ số Mmax/Mdm = 2,8; Imở máy/Idm 4,5.
Số đồi cực p = 4; Máy kiểu kín,làm việc liên tục; Cấp cách điện F.
Cấp bảo vệ IP 44.
Điện trở và điện kháng stato: R1 = 0,064 Ω, X1 = 0,28 Ω..
Điện trở và điện kháng rôto: R2 = 0,015 Ω, X2 = 0,14 Ω.

2. Các số liệu cần cho tính toán thiết kế
1. Tốc độ góc của động cơ.
ωđm = nđm/9,55 = 735/9,55 = 76,96 (rad/s).
Do độ trượt định mức của động cơ nhỏ (2-5)% do đó với tốc độ định mức của đồng
cơ nđm=735 vòng/phút tương ứng với tốc độ đồng bộ n 0=750 vòng/phút tương ứng với
số đôi cực p=4.
2. Tốc độ góc đồng bộ của động cơ.
n
750
ω0 = 0 =
= 78,53
9,55 9,55
(rad/s)
3. Hệ số trượt định mức.

sđm = (ω0 - ωđm)/ω0 = (78,53 – 76,96)/78,53 = 0,02.
4. Mômen định mức.
Mđm = Pđm/ωđm = 200000/76,96 = 2598,75 (N.m)
5. Độ trượt tới hạn.
Theo CT 2-103TL1 ta có :
SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 20


GVHD: Phạm Văn Tuấn

sth =s®m

Đồ án môn trang bị điện

 λ + λ2 − 1 + 2s (λ − 1) 
M
dm
M
 M

1 − 2sdm (λM − 1)



=0,02

 2,8 + 2,82 − 1 + 2.0, 02.(2,8 − 1) 



1 − 2.0.02(2,8 − 1)



6. Mômen tới hạn.
Mth =

λM

.Mđm=2,8.2598,75 =7276,5 (N.m).

7. Điện trở và điện kháng quy đổi về stato.
Hệ số Ke=U1/U2=660/450=1,47
R’2 = R2.kE2 = 0,015.1,472 = 0,032 (Ω)
X’2 = X2.kE2 = 0,14.1,472 =0,3 (Ω)
8. Điện kháng ngắn mạch của động cơ.
Xnm = X1+ X2’ = 0,28 + 0,3 = 0,58 (Ω).
R1 0,064
=
=2
R '2 0,032

9. Hệ số: a=
10. Điện trở và điện kháng ngắn mạch của động cơ quy đổi về phía rôto.
Rnm2=R2+R1.

1
K E2

=0,015+0,064.

1
K E2

Xnm2= X2+X1.
=0,14+0,28 .
11. Phương trình đặc tính cơ dạng Closs.
M=

1
1, 47 2

=0,045 (Ω).
=0,269 (Ω).

2.M th ( 1 + a.sth )
2.7276,5. ( 1 + 2.0,117 )
=
s
0,117
s sth
+
+ 2.0,117
+ + a.sth
0,117
s
sth s
M=

Phương trình đặc tính cơ tự nhiên :

2101,13.s
s + 0, 027.s + 0,014
2

Từ phương trình ta có bảng giá trị tương ứng:
s
0
0,2
0,25
0,4

SVTH: Trần Doãn Đạt

1
1, 47 2

Page 21

0,6

0,8

1

=0,117


GVHD: Phạm Văn Tuấn

M

0

Đồ án môn trang bị điện

7071,51 6309,69 4547,9

3230,85 2488,01 2018,37

Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên của động cơ :

Chương 3
TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH LỰC
I.Tính toán Diod chỉnh lưu.

Để chọn diode cho chỉnh lưu, người ta thường dựa vào hai thông số là điện áp và
dòng điện.
Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại để tham khảo là:
∆U

+ Loại van nào có sụt áp
nhỏ hơn sẽ tổn hao ít hơn.
+ Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn sẽ cho chất lượng tốt hơn.
+ Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn sẽ có khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
+ Điện áp và dòng điện điều khiển của của loại van nào nhỏ hơn thì đòi hỏi công
suất điều khiển nhỏ hơn.
+ Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn. Tuy nhiên trong hầu
hết các loại van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công
suất.

Đối với các van động lực, việc lựa chọn được dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng
tải, điện áp làm việc, điều kiện toả nhiệt và sơ đồ đã chọn.

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 22


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau:
1.Điện áp ngược của van:
Theo công thức 1.7 TLII ta có điện áp làm việc của van :

U lv = k nv .U 2
Trong đó: Knv Là hệ số điện áp ngược.Tra bảng 1.1 TL2 .
Hệ số điện áp ngược đối với chỉnh lưu cầu 3 pha ta có : Knv=
E2 dm

U2 Là điện áp pha xoay chiều. U2=
U lv = 6.259,8 = 636,37

Vậy ta có:

3

=

450
3

6

.

= 259,8 (V)

(V)

6

Với knv =
là hệ số điện áp ngược của van
Điện áp ngược của van tính theo công thức 1.9n TL2 :

U nv = k dtU .U lv
Trong đó : Unv Điện áp ngược diode.
KdtU : Hệ số dự trữ điện áp. kdtU = 1,6 ÷2 . Chọn kdtU = 1,8

U nv = kdtU .U lv = 1,8.636,37 = 1145, 47

(V)

2. Dòng điện làm việc của diode :

I lv = I hd = k hd .I d

với

I d = k I .I 2

Trong đó :
khd : Hệ số dòng hiệu dụng. Tra bảng 1.2 TL2 ta có đối với 3 pha đối xứng :
k hd =

1
3
kI =

kI : Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu. Với sơ đồ cầu 3 pha :

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 23

1
0,815


GVHD: Phạm Văn Tuấn
I lv =

Vậy :

Đồ án môn trang bị điện
1
1
.

.287 = 203,31
3 0,815

(A)

3.Chọn diode:
Để van làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt cần chọn và thiết kế hệ
thống toả nhiệt hợp lý.
Ta thấy dòng điện làm việc của van 203,31A với tổn hao điện áp trên các diode
thường lớn hơn 1 V do đó tổn hao trên van lớn hơn 100 W/1van. Để đảm bảo an toàn
cho van khi làm việc ta chọn điều kiện toả nhiệt của van ta chọn điều kiện làm việc
của van là có cánh tản nhiệt trong với đầy đủ diện tích bề mặt cho phép, có quạt đối
lưu.
Khi đó có thể cho phép van làm việc tới 70% IdmV (IdmV≥1,43Ilv)
Chọn IdmD=1,6 Ilv.
Vậy dòng định mức của diode là:
IdmD=1,6 Ilv=1,6.203,31= 325,296 (A).
Như vậy ta có các thông số của diode chỉnh lưu cần chọn:
Unv=1145,47 (V).
IdmD=325,296(A).
Để chọn van hợp lý điện áp ngược và dòng điện định mức của van phải lớn hơn các
thông số trên.
Tra bảng P.1 TL2 ta chọn ra 6 diode chỉnh lưu loại SH14C500 với các thông số :
- Dòng điện chỉnh lưu cực đại :
Imax = 500 (A)
- Điện áp ngược của Diod
:
UN = 1400 (A)
- Đỉnh xung dòng điện
:

Ipik = 5500 (A)
- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở : ΔU = 0,85 (V)
- Nhiệt độ làm việc cho phép :
Tcp = 160 (0C)
II.Tính toán Tiristor nghịch lưu
1.Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu.
Theo công thức 1.7 TLII ta có điện áp làm việc của van :
Unmax= Knv.U2ba
Trong đó:

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 24


GVHD: Phạm Văn Tuấn

Đồ án môn trang bị điện

K nv : Hệ số điện áp ngược.Tra bảng 1.1 TL2 . Hệ số điện áp ngược đối
6

với chỉnh lưu cầu 3 pha ta có : Knv= .
U2ba: Điện áp thứ cấp máy biến áp.
Ta thấy theo sơ đồ Chỉnh lưu-nghịch lưu trên, nếu bỏ qua tất cả các sụt
áp trên mạch thì:
E2d=Ebd
⇔

2,34 E2nm.s=2,34.U2ba.cos

⇔

U2ba=

β

E 2 nm .s
cos β

Xét trường hợp máy biến áp làm việc nằng nề nhất tức là: s=1;

Vậy U2ba=
Thông thường lấy
Vậy Unmax=

β min

6 .1,06.E 2 nm

β = β min

.

E 2 nm
cos β min

=20o Khi đó U2ba=1,06 E2nm.
6.1, 06.

=

E2 dm
3

6.1, 06.

=

450
= 674,58
3

(V)

U nT = k dtU .U n max

Điện áp ngược của Tiristor cần chọn:
Trong đó : Unv Điện áp ngược Tiristor.
KdtU : Hệ số dự trữ điện áp. kdtU = 1,7 ÷2. Chọn kdtU = 1,7
U nT = kdtU .U n max = 1, 7.647,58 = 1100,88

2. Dòng điện làm việc của Tiristor.
I lv = I hd = k hd .I d

(V)

I d = k I .I 2

Trong đó :
k hd =

khd : Hệ số dòng hiệu dụng. Tra bảng 1.2TL2 đối với 3 pha đối xứng :

SVTH: Trần Doãn Đạt

Page 25

1
3