Nghiên cứu, khảo sát hệ thống điều khiển và quá trình vào đồng bộ cho động cơ đồng bộ 1600kw của máy nghiền than

Bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu, khảo sát hệ thống điều khiển và
quá trình vào đồng bộ cho động cơ
đồng bộ 1600kw của máy nghiền than

ngành : tự động hoá xncn
M số : 00972C68

đào thế linh

Người hướng dẫn khoa học : GS - TS Nguyễn trọng thuần

hà nội - 2008


Luận văn thạc sĩ
Mục lục
Mở đầu ........................................................................................................... 1
Chương i: Tổng quan về động cơ đồng bộ Và đặc điểm
của hệ truyền động động cơ đồng bộ công suất lớn
1.1. Khái quát và phân loại động cơ đồng bộ ................................................ 3
1.1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ ......................................................... 3
1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ ............................................................. 4
1.2. Cấu tạo của động cơ đồng bộ ................................................................. 4
1.2.1 Cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn .................................. 5
1.2.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi.................................. 6

1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ .............................................. 8
1.4. Đặc tính cơ của đông cơ đồng bộ ........................................................... 9
1.5. Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ ..................................... 12
1.5.1. Khởi động bằng phương pháp thay đổi tần số............................... 12
1.5.2. Khởi động theo phương pháp hoà đồng bộ ................................... 12
1.5.3. Khởi động theo phương pháp không đồng bộ................................ 13
1.6. Những đặc điểm cơ bản của hệ truyền động điện động cơ đồng bộ công
suất lớn ........................................................................................................ 17
1.7. KÕt luËn ................................................................................................ 18
Ch­¬ng II: ThiÕt kÕ nguån kÝch tõ động cơ đồng bộ sử
dụng bộ biến đổi thyristor
2.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 20
2.2. Thiết kế mạch động lực ........................................................................ 20
2.3. Thiết kế mạch điều khiển ..................................................................... 21
2.3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu ................................... 21
2.3.2. Tính toán phần tử mạch điều khiển ............................................... 28
2.4. Tính toán lựa chọn van lực và máy biến áp ......................................... 42
2.4.1. Tính chän van lùc ......................................................................... 42
2.4.2. TÝnh chän m¸y biÕn ¸p lùc ......................................................... 44
2.5. TÝnh to¸n thiÕt kÕ bé nguån cung cấp cho mạch điều khiển ................ 46
2.6. Tính chọn máy biến áp đồng bộ ........................................................... 49
2.7. Tính toán thiết kế mạch tự động vào đồng bộ ...................................... 51
2.7.1. Yêu cầu mở máy của động cơ đồng bộ .......................................... 51
2.7.2. Nguyên lý làm việc của mạch tự động vào đồng bộ ...................... 52
2.7.3. Tính chọn các phần tử của sơ đồ................................................... 53
2.8. KÕt luËn ................................................................................................ 54


Luận văn thạc sĩ
Chương III: Mô hình toán học của động cơ đồng bộ Và

khảo sát quá trình vào đồng bộ của động cơ khi khởi
động
3.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 55
3.2. Véc tơ không gian và các hệ toạ độ ..................................................... 56
3.2.1. Vector không gian ......................................................................... 56
3.2.2. Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian. ..................................... 59
3.2.3. Mô tả các đại lượng trên hệ toạ độ tựa theo từ thông roto ........... 60
3.3. Chuẩn hoá các đại lượng về đơn vị tương đối ..................................... 61
3.4. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ ............................................... 62
3.4.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ đồng bộ ............................... 64
3.4.2 Mô hình trạng thái động cơ đồng bộ trên hệ toạ độ từ thông rotor65
3.5. Khảo sát quá trình vào đồng bộ của động cơ đồng bộ khi khởi động .. 67
3.5.1. Đặt vấn đề ..................................................................................... 67
3.5.2. Khảo sát thời điểm vào đồng bộ tối ưu khi động cơ khởi động có
tải Mc = 0. ............................................................................................... 70
3.5.3. Khảo sát thời điểm vào đồng bộ tối ưu khi động cơ khởi động có
tải Mc = 0,5 Mđm ...................................................................................... 81
3.5.4. Khảo sát thời điểm vào đồng bộ tối ưu khi động cơ khởi động có
tải Mc = M®m ............................................................................................ 92
3.6. KÕt luËn .............................................................................................. 100
KÕt luËn, đề xuất ................................................................................ 101
Tài liệu tham khảo............................................................................. 103


Luận văn thạc sĩ
Mở đầu

Động cơ đồng bộ là loại động cơ được sử dụng rộng rÃi trong công
nghiệp với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW. Nó chiếm một vị trí
quan trọng trong các hệ thống truyền động điện. Với dải công suất lớn và cực

lớn thì động cơ đồng bộ hoàn toàn chiếm ưu thế. Ưu điểm chính của động cơ
đồng bộ là có hiệu suất cao, mang tính ưu việt của cả động cơ một chiều và
động cơ không đồng bộ. Vì vậy, nghiên cứu về động cơ đồng bộ là một hướng
đi hợp lý vµ cã tÝnh thùc tiƠn cao. Cơ thĨ lµ trong ngành công nghiệp khai thác
than, động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng để truyền động trục máy
nghiền than.
Tuy nhiên, khi sử dụng động cơ đồng bộ công suất lớn có cuộn dây kích
từ đòi hỏi phải cung cấp nguồn kích từ một chiều cho động cơ. Thông thường,
các động cơ sử dụng máy phát điện một chiều để cấp nguồn cho cuộn dây
kích từ. Hệ thống này có nhược điểm là cồng kềnh, giá thành cao, bảo dưỡng
phức tạp, quá trình sử dụng chổi than và vành góp của máy phát điện một
chiều bị ăn mòn dẫn đến giảm chất lượng kích từ của động cơ. Bên cạnh đó
một vấn đề cũng rất đáng quan tâm đó là việc khởi động của động cơ đồng bộ.
Chất lượng khởi động của động cơ chịu ảnh hưởng rất lớn bởi cách thức khởi
động động cơ cũng như thời ®iĨm hỵp lý ®Ĩ cÊp ngn kÝch tõ mét chiỊu cho
động cơ.
Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn đặt ra trên đây, bản luận văn này
trình bày những nghiên cứu của tác giả về hệ thống điều khiển kích từ và khảo
sát quá trình vào đồng bộ cho động động cơ đồng bộ. Cụ thể ở đây là động cơ
truyền động của máy nghiền than với công suất 1600kW.
Và sau đây là những nội dung chính mà tác giả ®· tËp trung nghiªn cøu.

1


Luận văn thạc sĩ
Chương I
Tổng quan về động cơ đồng bộ Và đặc điểm của hệ
truyền động động cơ đồng bộ công suất lớn

Nội dung của chương:
1.1 Khái quát và phân loại động cơ đồng bộ
1.1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ
1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ
1.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ
1.2.1 Cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn
1.2.1.1 Cấu tạo Stato của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn
1.2.1.2 Cấu tạo Rôto của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn
1.2.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi
1.2.2.1 Cấu tạo Stato của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi
1.2.2.2 Cấu tạo Rôto của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi
1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ
1.4 Đặc tính cơ của đông cơ đồng bộ
1.5 Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ
1.5.1 Khởi động bằng phương pháp thay đổi tần số
1.5.2 Khởi động theo phương pháp hoà đồng bộ
1.5.3 Khởi động theo phương pháp không đồng bộ
1.6 Những đặc điểm cơ bản của hệ truyền động điện động cơ đồng bé
c«ng st lín

2


Luận văn thạc sĩ
1.1. Khái quát và phân loại động cơ đồng bộ
1.1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ
Những ®éng c¬ ®iƯn xoay chiỊu cã tèc ®é quay cđa rôto bằng tốc độ
quay của từ trường s gọi là động cơ đồng bộ (ĐCĐB). Trong chế độ xác lập
động cơ đồng bộ có tốc độ quay của rôto luôn không đổi khi tải thay đổi, tuỳ
thuộc vào tần số của nguồn và số đôi cực của động cơ.

Tốc độ quay của động cơ được tính theo biểu thức :
s =

2f s
pc

(1.1.1)

Trong đó: fs : là tần số nguồn áp.
pc : là số đôi cực.
Trong các nhà máy công nghiệp, với tải đòi hỏi động cơ điện dẫn động
công suất lớn và không cần điều chỉnh tốc độ (đôi khi lên tới vài nghìn KW)
thì việc sử dụng động cơ không đồng bộ thường là không cho phép vì dòng
khởi động quá lớn. Để giải quyết nguồn lực dẫn động trong trường hợp này,
phải sử dụng động cơ điện động bộ công suất lớn do loại động cơ này có tính
ưu việt hơn hẳn động cơ không đồng bộ cùng công suất, ở chỗ:


Có hiệu suất lớn do động cơ đồng bộ có khả năng hoạt động ở Cos

= 1, điều này cho phép nâng cao hệ số Cos của mạng lưới điện nhà máy và
giảm kích thước trọng lượng bản thân động cơ do dòng nhỏ hơn.


Độ nhậy với dao động điện áp nguồn thấp hơn do mô men cực đại tỷ

lệ bậc nhất với điện áp.


Tần số quay không đổi và không phụ thuộc vào dao động tải (trong

một giới hạn cho phép nào đó) trên trục rôto. Dẫn đến độ ổn định tốc độ cao.
Tuy nhiên, việc sử dụng hệ truyền động động cơ đồng bộ lại có nhược
điểm là:


Động cơ đồng bộ có cấu t¹o phøc t¹p.
3


Luận văn thạc sĩ


Đòi hỏi phải có nguồn cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích

từ của động cơ khiến cho giá thành cao.


Việc khởi động động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc điều

chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số nguồn
cấp cho động cơ.
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghệ điện tử động cơ
đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp ở mọi dải công
suất từ vài trăm W( cho cơ cấu ăn dao máy, cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển
động của tay máy, người máy, máy đóng gói, máy gia công chính xác,... ) đến
hàng MW ( cho các chuyển động kéo tàu tốc độ cao TGV, máy cán, v.v.. ).
1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ
Theo cấu tạo có thể chia động cơ đồng bộ ra làm 2 loại :
+ Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi: thích hợp với tốc độ quay thấp (số

cực 2p 4).
+ Động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn: thích hợp với tốc độ quay cao (số
cực 2p = 2).
Để thấy rõ hơn về đặc điểm cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha ta xét
riêng cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi và động cơ đồng bộ ba pha
cực ẩn.
1.2. cấu tạo của Động cơ đồng bộ
Động cơ điện đồng bộ cũng như các loại động cơ máy điện quay khác,
gồm có: phần tĩnh (stato) và phần quay (rotor). ở các động cơ điện đồng bộ
công suất lớn, phần tĩnh thường là phần mà các dây quấn của nó có cảm ứng
ra những sức điện động, còn gọi là phần ứng. Phần quay thường là một nam
châm điện dùng để tạo từ trường chính cho máy, còn gọi là phần cảm. Rôto
động cơ điện đồng bộ có hai kiểu là rôto cực lồi và rôto cực ẩn hình thành nên
hai loại động cơ đồng bộ ba pha cực lồi và động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn.
4


Luận văn thạc sĩ
1.2.1 Cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn
Cấu tạo động cơ đồng bộ gồm hai phần chính đó là starto và rôto.
1.2.1.1 Cấu tạo Stato của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn
Starto của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn gồm hai bộ phận chính là lõi
thép và dây quấn , ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép stato gồm các lá thép kỹ thuật điện dày từ 0,35 - 0,5 mm được
ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt trong tạo thành các rÃnh
theo hướng trục để đặt dây quấn sau này . Lõi thép starto được cố định trong
thân máy. Trong các động cơ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế
tạo theo các kết cấu khung thép, mặt ngoài được bọc bằng các tấm thép dát
dầy. Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió
để làm mát máy tốt nhất. Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc.

Đối với các động cơ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy
mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố định trên bệ máy.
Dây quấn starto thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn
hoặc chữ nhật (tuỳ thuộc vào công suất máy), bề mặt được phủ một lớp cách
điện, được quấn thành từng bối và lồng vào các rÃnh của lõi thép starto, được
đấu nối theo các qui luật nhất định tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam
giác.
1.2.1.2 Cấu tạo Rôto của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn
Rôto động cơ đồng bộ là một nam châm điện gồm lõi thép và dây quấn
kích từ. Dòng điện vào dây quấn kích từ là dòng một chiều.
Rôto của động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn làm bằng thép chất lượng cao,
được đúc thành khối hình trụ, sau đó được gia công và phay rÃnh để lắp đặt
cuộn dây kích từ. Phần không phay rÃnh của rôto hình thành nên mặt cực tõ.
Cùc tõ r«to cùc Èn kh«ng lé ra râ rƯt.

5


Luận văn thạc sĩ

Hình 1.1 : Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto.
Động cơ đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p =
2, tôc độ quay của rôto là 3.000 vòng/phút. Tốc độ của loại động cơ này
thường cao nên để hạn chế lực li tâm rôto thường có dạng hình trống với tỷ số
chiều dài/ đường kính lớn. Động cơ loại này thường được gọi là động cơ từ
trường hướng kính (roto trụ dài), nó thường được dùng trong các máy công cụ.
Thông thường đường kính D của rôto khoảng từ 1,1m đến 1,15m. Chiều dài
tối đa của rôto vào khoảng 6,5m.
Dây quấn kích từ đặt trong rÃnh rô to được chế tạo từ dây đồng trần tiết
diện hình chữ nhật, quấn theo chiều rộng thành các bối dây đồng tâm. Các

vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mêca mỏng.
Để cố định và ép chặt các cuộn dây kích từ trong rÃnh, miệng rÃnh được nêm
kín bằng thép không từ tính, các đầu nối (nằm ngoài rÃnh) của dây quấn kích
từ được đai chặt bằng các ống thép không từ tính. Hai đầu của dây quấn kích
từ đi luồn trong trụ và nối với hai vành trượt ở đầu trục thông qua 2 chổi điện
để nối với dòng kích từ một chiều.
1.2.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi
1.2.2.1 Cấu tạo Stato của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi
Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi có cấu tạo stato tương tự như stato của
động cơ đồng bộ ba pha cùc Èn.
6


Luận văn thạc sĩ
1.2.2.2 Cấu tạo Rôto của động cơ đồng bộ ba pha cực lồi
Động cơ đồng bộ ba pha cực lồi thường được sử dụng trong trường hợp
yêu cầu tốc độ quay thấp. Vì vậy, khác với động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn,
đường kính rôto có thể lớn trong khi chiều dài của rôto lại nhỏ với tỷ số
chiều dài/ đường kính nhỏ vào khoảng 0,12 -> 0,2.
Rôto động cơ đồng bộ ba pha cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi
thép chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ,
trên mặt có đặt các cực từ. Đối với các động cơ công suất lớn, lõi thép được
hình thành từ các tấm thép dầy từ 1 -> 6mm, được dập định hình sẵn để ghép
thành các khối lăng trụ, lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy
mà đặt vào giá đỡ rôto. Giá này lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép
rôto được ghép bằng nhiều lá thép dầy từ 1mm -> 1,5mm. Việc cố định các
cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình T hoặc bằng các bu lông
xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rôto (hình 1.2).

1

2

5

4

3

Hình 1.2 : Cực từ của động cơ đồng bộ cực lồi
1. Lá thép cực từ 2. Dây quấn kích thích
3. Đuôi hình chữ T 4. Nêm 5. Lâi thÐp r«to

7


Luận văn thạc sĩ
Dây quấn kích từ bằng đồng tiết diện hình chữ nhật, được quấn theo
chiều rộng thành từng cuôn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mêca
hoặc amiăng. Các cuộn dây sau khi đà được gia công được luồn vào thân cực.
Dây quấn khởi động được đặt trên các đầu cực giống như dây quấn kiểu
lồng sóc của động cơ điện không đồng bộ, nghĩa là được làm bằng các thanh
đồng đặt vào rÃnh của của các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn
mạch.
1.3.

nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ
Cho dòng điện một chiều vào dây quấn kích từ, rôto của động cơ trở

thành một nam châm điện. Nếu lúc này cho dòng điện hình sin vào dây quấn

stato, giữa từ trường rôto và dòng điện trong các thanh dẫn dây quấn stato sẽ
tác dụng lực tương hỗ lên nhau, hình thành mômen tác dụng lên rôto kéo nó
quay.
Khi mới mở máy động cơ điện đồng bộ, lúc đó rôto còn đứng yên. Giả
sử ở nửa chu kỳ đầu, dòng điện chạy trong dây quấn stato có chiều đi từ đầu A
đến cuối đầu X của dây quấn. Dùng quy tắc bàn tay trái, xác định được lực Fx
tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng, do đó xác định được chiều phản
lực Fr tác dụng lên rôto. ở nửa chu kỳ sau, dòng điện qua dây quấn stato đổi
chiều, lực tác dụng lên rôto cũng đổi chiều. Như vậy, khi mới mở máy động
cơ đồng bộ, lực tác dụng lên rôto luôn luôn đổi chiều theo sự đổi chiều dòng
điện trong dây quấn stato. Do có quán tính, rôto sẽ không quay được. Để có
thể mở máy động cơ đồng bộ, phải sử dụng những biện pháp đặc biệt sẽ trình
bày ở phần sau.
Khi động cơ đà làm việc, muốn mômen quay luôn luôn tác dụng theo
một chiều nhất định, thì khi dòng điện trong dây quấn stato đổi chiều, cực từ
rôto nằm dưới các thanh dẫn, dây quấn stato cũng phải đổi cực tính. Như vậy,
nếu rôto của động cơ có p đôi cực từ, khi dòng điện trong dây quấn stato biến

8


Luận văn thạc sĩ
thiên được một chu kỳ, rôto phải quay được 1/p vòng. Nếu tần số dòng điện
xoay chiều vào trong dây quấn stato là f thì trong một giây rôto phải quay
được 1/p vòng, nghĩa là trong một phút nó phải quay được:
n=

60 f
(vòng/phút)
p

Nhận thấy ở đây tốc độ động cơ bằng tốc độ từ trường quay nên gọi là
động cơ đồng bộ. Với một tần số f nhất định thì tốc độ quay động cơ là không
đổi, không phụ thuộc vào phụ tải.
1.4.

Đặc tính cơ của đông cơ đồng bộ
Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào nguồn điện xoay chiều có tần số fs

không đổi, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi là tốc ®é ®ång bé:
ωs =2 π fs / p

(1.3.1)

Trong ph¹m vi mô men cho phép M Mmax, đặc tính cơ là cứng tuyệt
đối (độ cứng của đặc tính cơ =), đặc tính cơ của động cơ đồng bộ như hình
sau:


0

0

Mđm

Mmax

M

Hình 1.3 : Đặc tính cơ của ĐCĐB ở chế độ xác lập

Khi mô men vượt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ.
Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính
góc : M = f().

9


Luận văn thạc sĩ
Đặc tính góc biễu diễn mối quan hệ giữa mô men của động cơ với góc
lệch của véc tơ điện áp pha lưới điện và véc tơ sức điện động cảm ứng trong
dây quấn stato do từ trường một chiều sinh ra.
Thông thường sụt áp trên điện trở R của dây quấn stato là rất nhỏ so với
điện áp định mức, đối với các động cơ công suất vài trăm kW thì nó chỉ chiếm
0,01 so với điện áp định mức. Vì vậy ta có thể bỏ qua sụt áp này, từ phương
trình ( 1.3.1) nếu bá qua ®iƯn trë R cđa stato ta cã ®å thị véc tơ như hình 1.4

U
j.IX



E
I

0

Hình 1.4 : Đồ thị véctơ của mạch stato ĐCĐB
Trên hình 1.4 các véc tơ biểu diễn các đại lượng sau:
+ I : Véc tơ dòng điện pha stato.
+ E, U : Véc tơ sức điện động pha cuộn dây stato và điện áp pha

của điện áp lưới.
+ X : Điện kháng pha stato.
+ : Góc lệch pha giữa dòng điện stato và điện áp lưới.
+ : Góc lệch pha giữa sức điện động stato và điện áp lưới.
Mô men của động cơ được tính bằng :
M =

P

0

= 3.

E.U
. sin
0 .X

(1.3.2)

Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ và được thể hiện
trên hình 1.5. Trên đường đặc tính góc ta thấy, khi = /2 thì mô men đạt cực
đại:

10


Luận văn thạc sĩ
Mmax = 3.

E.U

0 .X

(1.3.3)

Mô men Mmax đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ. Khi tăng tải,
góc lệch > /2 thì mô men lại giảm.
Với động cơ đồng bộ cực lồi do sự phân bố khe hở không khí giữa rôto
và stato không đều nhau trong máy xuất hiện mô men phản kháng phụ,
phương trình đặc tính góc có dạng:
M = 3.

E.U
3U 2
. sin +
. X d
2

1
1

.sin2


X
X
d
q

(1.3.4)

Với Xd, Xq là điện kháng dọc trục và ngang trục.
Đường cong biễu diễn M sẽ là tổng của hai thành phần:
M1 = 3.

E.U
. sin
. X d

3U 2
M2 =
2

(1.3.5)

1
1

.sin2

X

q Xd

(1.3.6)

Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1, M2 bằng các đường nét đứt. Đối
với máy cực ẩn Xd = X q nên M2 = 0 và M = M1 . Nhưng thường M2 rất nhỏ
nên có thể bỏ qua. Khi đó đặc tính góc của động cơ cực lồi và ẩn là như nhau.

Hình 1.5 : Đặc tính góc của động cơ đồng bộ

11


Luận văn thạc sĩ
1.5. Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ
Như ở mục 1.3 đà nêu rõ, khi khởi động động cơ đồng bộ, mômen điện
từ tác động lên rôto động cơ luôn luôn đổi chiều, do đó động cơ không quay
được. Muốn mô men điện từ tác dụng lên động cơ chỉ theo một chiều thì khi
dòng điện trong các thanh dẫn dây quấn stato đổi chiều, cực từ nằm dưới
thanh dẫn cũng phải đổi cực tính. Do đó, khi khởi động động cơ cần phải dùng
một biện pháp nào đó để quay rôto lên tới tốc độ gần đồng bộ, sau đó mới đưa
dòng điện một chiều kích thích vào. Mô men điện từ tác dụng lên rôto lúc này
theo một chiều và động cơ được đưa vào tốc độ đồng bộ.
Để kéo rôto động cơ vào tốc độ đồng bộ có thể sử dụng các phương
pháp như sau: khởi động theo phương pháp không đồng bộ, khởi động theo
phương pháp đồng bộ, khởi động bằng nguồn có tần số thay đổi.
1.5.1. Khởi động bằng phương pháp thay đổi tần số
Trong nhiều trường hợp cần mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn
điện có tần số thay đổi. Muốn vậy động cơ phải lấy điện từ một máy phát điện
riêng( hoặc qua một thiết bị biến đổi tần số, ví dụ như Bộ biến tần) điều chỉnh
được tần số từ 0 đến mức độ nhất định trong quá trình mở máy. Như vậy động
cơ được quay đồng bộ với máy phát ngay từ lúc tốc độ còn thấp. Đây chính là
phương pháp khởi động rất hiệu quả, đang được áp dụng rộng rÃi vì ngày nay
ĐCĐB thường sử dụng kèm theo bộ biến tần.
1.5.2. Khởi động theo phương pháp hoà đồng bộ
Các điều kiện hoà đồng bộ đối với động cơ đồng bộ hoàn toàn giống
như của máy phát điện đồng bộ. Trong trường hợp này rôto của động cơ đồng

bộ được quay bởi động cơ sơ cấp, khi tốc độ đạt tới (95 ữ 98)% tốc độ đồng
bộ, thì tiến hành cấp điện cho stato và cấp điện cho cuộn kích từ của rôto,
đồng thời ngắt động cơ sơ cấp ra khỏi hệ truyền ®éng cđa ®éng c¬ ®ång bé.

12


Luận văn thạc sĩ
Sau một khoảng thời gian quá độ, ®éng c¬ sÏ quay ®ång bé víi tèc ®é cđa từ
trường quay rôto.
Ưu nhược điểm của phương pháp này là:
-

Ưu điểm: Sử dụng cho các loại động cơ đồng bộ.

-

Nhược điểm: Hệ truyền động cồng kềnh, phức tạp hơn vì phải dùng

động cơ sơ cấp để kéo vào đồng bộ.
1.5.3. Khởi động theo phương pháp không đồng bộ
Các động cơ đồng bộ phần lớn đều khởi động theo phương pháp không
đồng bộ. Thông thường rôto của các động cơ đồng bộ cực lồi đều được đặt
dây quấn khởi động. Dây quấn khởi động có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong
các rÃnh ở đầu cực, hai đầu nối với hai vòng ngắn mạch và được tính toán để
khởi động trực tiếp với điện áp của lưới điện.
ở một số động cơ, các mặt cực được chế tạo bằng thép nguyên khối và
được nối với nhau bằng hai vòng ngắn mạch đặt ở hai đầu rôto, cũng có thể
thay thế cho dây quấn ngắn mạch dùng trong việc khởi động.
Đối với các lưới điện có công suất lớn có thể cho phép khởi động trực

tiếp với điện áp của lưới đối với các động cơ đồng bộ ba pha công suất vài
trăm đến hàng ngàn KW. Còn với các lưới điện không cho phép khởi động
trực tiếp hoặc khởi động động cơ đồng bộ công suất lớn, có thể thực hiện khởi
động gián tiếp bằng cách đóng stato của động cơ đồng bộ vào lưới điện qua
điện kháng phụ hoặc biến áp tự ngẫu để hạn chế dòng khởi động. Đối với
động cơ đồng bộ ba pha cực ẩn, việc khởi động theo phương pháp không đồng
bộ khó khăn hơn do dòng điện cảm ứng ở mặt ngoài của rôto nguyên khối sẽ
gây phát nóng cục bộ đáng kể. Trong trường hợp này, để khởi động được dễ
dàng, cần hạ điện áp đặt vào đầu cực động cơ khi khởi động bằng biến áp tự
ngẫu hoặc cuộn kháng.
Quá trình khởi động động cơ đồng bộ ba pha bằng phương pháp không

13


Luận văn thạc sĩ
đồng bộ có thể được chia làm hai giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Giai đoạn khởi động không đồng bộ.
Lúc đầu, quá trình khởi động được thực hiện với dòng kích từ Ikt = 0,
dây quấn kích từ được nối tắt qua điện trở dập từ Rdt như trên hình (1.6).

K2
+
K1
Ukt
Rdt
-

Hình 1.6 : Sơ đồ mạch kích từ của động cơ đồng bộ lúc khởi động
Khi đóng cầu dao hoặc máy cắt với nguồn điện, do tác động của

mômen không đồng bộ, rôto sẽ quay và tăng tốc đến gần tốc độ đồng bộ n1
của từ trường quay. Trong giai đoạn này, việc nối dây quấn kích từ với điện
trở có trị số lớn gấp (10 ữ 12) lần điện trở rt của dây quấn kích từ là cần thiết.
Bởi vì, nếu để dây quấn này hở mạch sẽ có điện áp cao làm hỏng cách điện
của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy thì rôto đang đứng yên còn từ trường
quay của stato quay với tốc độ đồng bộ, vậy nên từ trường quay của stato quét
qua rôto với tốc độ đồng bộ.
Nếu đem nối ngắn mạch dây quấn kích từ thì sẽ tạo thành một pha có
điện trở nhỏ ở rôto và sinh ra mômen cảm lớn khiến cho tốc độ quay của rôto
không thể vượt quá tốc độ bằng một nửa tốc độ đồng bộ. Điều này có thể được
giải thích như sau:
Dòng điện có tần số f2 = s.f1 trong dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch
14


Luận văn thạc sĩ
sẽ sinh ra từ trường đập mạch. Từ trường này có thể phân tích thành hai từ
trường quay thuận và ngược với chiều quay của rôto với tốc độ tương đối so
với rôto là n1 n. Trong đó n1 là tốc độ từ trường quay của stato và n là tốc
độ quay của rôto.
M

1
3

Mc

A
2

1

0,5

0

s

Hình 1.7 : Đường đặc tính mômen ĐCĐB khởi động bằng
phương pháp không đồng bộ với dây quấn kích từ nối ngắn mạch
Từ trường quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh là:
nth = n + (n1 n) = n1
Nghĩa là quay đồng bộ với từ trường quay của stato. T¸c dơng cđa nã
víi tõ tr­êng quay cđa stato tạo nên mômen không đồng bộ và hỗ trợ với
mômen không đồng bộ do dây quấn mở máy sinh ra và có dạng như đường 1
hình (1.7).
Từ trường quay ngược có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh là:
nng = n – (n1 –n) = 2n – n1 = 2n1 (1 – s) = n1 (1 – 2s).
Nh­ vËy khi 0,5 < S < 1, nghĩa là tốc độ quay của rôto n < n1/2 thì từ
trường quay ngược chiều so với dây quấn phần tĩnh theo chiều ngược so với
chiều quay của rôto. Tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f sẽ sinh
ra mômen phụ cùng dấu và hỗ trợ với mômen không đồng bé do tõ tr­êng
15


Luận văn thạc sĩ
quay thuận tác dụng với dây quấn khởi động (đường 2 trên hình 1.7).
Khi S = 0,5 (tức là n = n1/2), từ trường quay ngược đứng yên so với dây
quấn phần tĩnh, mô men phụ bằng 0.
Khi 0 < S < 0,5 (tøc lµ n > n1/2) thì từ trường quay ngược sẽ quay cùng

chiều với chiều quay rôto, tác dụng của nó với dòng điện phần tĩnh tần số f
lúc đó sinh ra mô men phụ trái dấu với mô men không đồng bộ do từ trường
quay thuận, do đó tác dụng như mô men hÃm.
Kết quả là khi dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch, đường biểu diễn
mômen của động cơ trong quá trình khởi động là tổng của đường 1 và đường 2
có dạng như đường 3 trên hình (1.7). Rõ ràng khi mômen cản MC trên trục
động cơ đủ lớn thì rôto sẽ làm việc ở điểm A ứng với tốc độ n n1/2 và không
thể đạt được đến tốc ®é ®ång bé.
Khi r«to ®· quay ®Õn tèc ®é n n1, có thể tiến hành giai đoạn hai của
quá trình khởi đông.
Giai đoạn 2: Giai đoạn vào đồng bộ.
Nối dây quấn kích từ với nguồn điện áp một chiều của nguồn điện kích
thích. Lúc đó ngoài mômen không đồng bộ tỷ lệ với hệ số trượt s và mômen
gia tốc tỷ lệ với ds/dt sẽ có mômen đồng bộ phụ thuộc vào góc cùng tác
dụng ( là góc lệch giữa véc tơ suất điện động cảm ứng trong dây quấn stato
với điện áp đặt vào stato). Do rôto chưa quay đồng bộ nên góc luôn luôn
thay đổi. Khi 0 < < 180o thì mômen đồng bộ sẽ cùng tác động với mômen
không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rôto và như vậy rôto sẽ được
kéo vào tốc độ đồng bộ sau một quá trình dao động.
Ưu nhược điểm của phương pháp khởi động không đồng bộ:
-

Ưu điểm: Hệ truyền động nhỏ gon, không phức tạp vì không phải

dùng động cơ sơ cấp để kéo vào đồng bộ.
-

Nhược điểm: Chế tạo rôto phức tạp, không áp dụng được cho những

16

Luận văn thạc sĩ
động cơ có tốc độ quay lớn.
1.6 NHữNG ĐặC điểm cơ bản của hệ truyền động điện
động cơ đồng bộ công suất lớn
-

Nguồn điện áp cung cấp cho Stato động cơ đồng bộ công suất lớn là

nguồn trung áp 6kV tần số 50Hz.
-

Điện áp cung cấp cho thiết bị kích từ là điện áp 380V tần số 50Hz.

-

Dòng một chiều kích từ Rôto là dòng có thể lên đến hàng trăm

Ampe.
-

Phương pháp khởi động thường dùng trong những hệ truyền động

điện động cơ đồng bộ công suất lớn ở đây là phương pháp khởi động không
đồng bộ đà được đề cập rõ ở mục trên.
-

Quá trình khởi động được hiểu là cần phải giải quyết được hai vấn

đề chính là:
+ Khử sức điện động cảm ứng trong giai đoạn khởi động nhằm bảo vệ
cuộn kích từ không bị đánh thủng lớp cách điện bởi tác động của Ecư. Cụ thể
như sau: Khi Stato của động cơ đồng bộ được cấp nguồn 6kV xoay chiều thì
trong Rôto sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng Ecư, được tÝnh theo biÓu
thøc:
Ec­ = 4,44 . f1 . s . wkt . Fm
Trong đó: s là hệ số trượt
Fm là biên độ từ trường quay
Wkt là số vòng dây cuôn kích từ trong Rôto
Từ biểu thức ta thấy, tại thời điểm ban đầu của quá trình khởi động do
hệ số trượt s 1, nên Ecư có giá trị rất lớn và cần phải khử bớt Ecư để bảo vệ
cuộn dây kích từ.
+ Tự động bơm dòng một chiều vào cuộn kích từ khi hệ số trượt s suy giảm đến
giá trị nhất định đủ nhỏ để đưa Rôto vào tốc ®é quay ®ång bé.

17


Luận văn thạc sĩ
1.7 Kết luận
Sau khi đà trình bày cấu tạo, nghiên cứu các đặc tính cơ cũng như các
phương pháp khởi động áp dụng cho các dải công suất khác nhau của động cơ
đồng bộ. Nhận thấy, đối với động cơ đồng bộ máy nghiền than với công suất
1600kW nên áp dụng khởi động theo phương pháp không đồng bộ. Động cơ
khi khởi động bao gồm hai giai đoạn:
+ Giai đoạn khởi động không đồng bộ.
+ Giai đoạn vào đồng bộ.
Đây là những định hướng ban đầu để thiÕt kÕ hƯ thèng ngn mét chiỊu
kÝch tõ cho ®éng cơ và đưa ra thời điểm vào đồng bộ tối ưu nhằm nâng cao

chất lượng khởi động của động cơ đồng bộ máy nghiền than công suất
1600kW sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo của luận văn.

18


Luận văn thạc sĩ
Chương II: Thiết kế nguồn kích từ ®éng c¬ ®ång bé
sư dơng bé biÕn ®ỉi thyristor
Néi dung của chương:
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Thiết kế mạch động lực
2.3. Thiết kế mạch điều khiển
2.3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu
2.3.1.1. Khâu đồng pha
2.3.1.2. Khâu tạo điện áp tựa
2.3.1.3. Khâu so sánh và tạo xung
2.3.1.4. Khâu so sánh và tạo xung
2.3.1.5. Khâu khuyếch đại xung
2.3.2. Tính toán phần tử mạch điều khiển
2.3.2.1. Tính toán mạch khuyếch đại xung
2.3.2.2. Tính toán mạch tạo xung
2.3.2.3. Tính toán mạch tạo điện áp răng cưa
2.3.2.4. Tính toán mạch tách xung
2.3.2.5. Tính toán mạch phát xung cao tần
2.3.2.6. Tính toán biến áp xung
2.4. Tính toán lựa chọn van lực và máy biến ¸p
2.4.1. TÝnh chän van lùc
2.4.2. TÝnh chän m¸y biÕn ¸p lùc
2.5. TÝnh to¸n thiÕt kÕ bé nguån cung cÊp cho mạch điều khiển

2.6. Tính chọn máy biến áp đồng bộ
2.7. Tính toán thiết kế mạch tự động vào đồng bộ
2.7.1. Yêu cầu mở máy của động cơ đồng bộ
2.7.2. Nguyên lý làm việc của mạch tự động vào đồng bộ
2.7.3 Tính chọn các phần tử của sơ đồ
2.7.3.1 Tính điện trë dËp tõ
2.7.3.2 TÝnh chän Thyristor
2.8 KÕt luËn

19


Luận văn thạc sĩ
2.1. Đặt vấn đề
Khi sử dụng động cơ đồng bộ ở các hệ thống cũ để cấp kích từ cho
động cơ, thường sử dụng máy phát điện một chiều. Hệ thống này có rất nhiều
nhược điểm như: Hệ thống cồng kềnh, giá thành đắt, bảo trì bảo dưỡng phức
tạp. Ngoài ra, sau khi vận hành một thời gian thì chổi than vành góp của máy
phát một chiều bị mòn dẫn đến giảm chất lượng kích từ cho động cơ.
Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền động điện cho động cơ
đồng bộ máy nghiền than, trong khuôn khổ luận văn này tôi nghiên cứu thiết
kế bộ nguồn cấp kích từ cho động cơ bằng bộ chỉnh lưu điều khiển dùng
Thyristor.
2.2. Thiết kế mạch động lực
Mạch chỉnh lưu có điều khiển có nhiều sơ đồ, tuỳ thuộc vào công suất của
mạch kích từ mà ta có thể sử dụng các sơ đồ điều khiển khác nhau. Trong luận
văn này tôi chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển có sơ đồ nguyên lý
như hình vẽ.

T1

A

U2a

a

B

U2b

b

C

U2c

c

T3

T5

L

Ud
R
T4

T6

T2

Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực bộ chỉnh lưu cầu ba pha cã ®iỊu khiĨn

20


Luận văn thạc sĩ
2.3. Thiết kế mạch điều khiển
2.3.1. Cấu tróc hƯ thèng ®iỊu khiĨn bé chØnh l­u
HƯ thèng ®iỊu khiển bộ chỉnh lưu phải tạo ra các xung điều khiển cấp
cho các Thyristor trong mạch lực. Các xung điều khiển phải đảm bảo được
phạm vi điều chỉnh góc . Thông thường thay đổi trong phạm vi từ 0o đến
180o.
Nếu xét đến khả năng hạn chế góc thì phạm vi thay đổi là từ min đến
max.
Góc mở được tính từ giao điểm của các nửa hình sin của điện áp lưới.
Vì vậy, trong sơ đồ cấu trúc khâu chức năng đầu tiên là khâu đồng pha.

Đồng pha

So sánh + tạo
xung

U tựa

Khuyếch đại
xung

U đk

Hình 2.2. Sơ đồ khối cấu trúc mạch điều khiển
2.3.1.1. Khâu đồng pha
Theo như sơ đồ khối cấu trúc (hình 2.II), khâu đồng pha có nhiệm vụ là
tạo ra một điện áp có góc lệch pha cố định với điện áp đặt lên van lực. Điều
này đồng nghĩa với việc cho phép xác định giá trị đầu của góc điều khiển, phù
hợp nhất cho mục đích này là sử dụng máy biến áp.
Dùng máy biến áp không những cho phép thoả mÃn yêu cầu trên mà còn
đạt thêm hai mục tiêu quan trọng đó là:

21


Luận văn thạc sĩ
a)

Chuyển đổi điện áp thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với mạch
điều khiển thường là điện áp thấp.

b)

Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển với mạch lực. Điều này
đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho các linh kiện của mạch
điều khiển.
Như vậy, do lựa chọn sơ đồ mạch lực là sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha nên

sẽ sử dụng máy biến áp đồng bộ ba pha cho khâu đồng pha. Tuy nhiên, do
trong mạch điều khiển có nhiều khâu cũng cần dùng biến áp nên th­êng chØ
sư dơng chung mét biÕn ¸p cã nhiỊu cn dây thứ cấp, mỗi cuộn thực hiện
một chức năng riêng, trong đó có sử dụng một cuộn giành cho khâu đồng pha

này.
Khi sử dụng biến áp đồng bộ ba pha cần lưu ý rằng cách đấu các cuộn
dây sơ cấp ảnh hưởng rõ rệt tới phạm vi điều chỉnh góc điều khiển từ (min
đến max). Bởi vì van không mở ngay được khi điện áp pha lưới bắt đầu dương.
A

*

*

B

Uđp cho pha A

*

*

Uđp cho pha B

C

*

*

Uđp cho pha C
0v điều khiển

Hình 2.3.a). Sơ cấp đấu tam giác

A

*

*

Uđp cho pha A

B

*

*

Uđp cho pha B

C

*

*

Uđp cho pha C
0v điều khiển

Hình 2.3.b). Sơ cấp đấu sao

22