Đồ án: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

Chia sẻ: Tran Duy Cuong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

854
lượt xem 129
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Stato: là phần tĩnh của động cơ bao gồm lõi thép (ghép từ các lá thép kĩ thuật điện) có răng để chứa dây quấn. Stato được gắn vào bệ động cơ với nắp có ổ trục định vị cho rôto (hình 1).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

---------- Đồ án Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha 1
Sinh viên thực hiện: Trần Duy Cường Lớp : CK-ĐTĐ 11 Nghành đào tạo : Công nghệ tự động Tên đề tài : Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha Ngày nhận đề : 7-10-2010 Ngày nộp đồ án : 27-11-2010 Nhiệm vụ của đề tài: - Các phương pháp điều chỉnh tốc độ - Lựa chọn phương án mạch lực và mạch điều khiển - Tính các phần tử mạch lực và mạch điều khiển. Kết quả cần đạt được: Bản thuyết minh đồ án môn học Ngày.....tháng.....năm 2010 Khoa điện - điện tử Bộ môn kt điều khiển Giáo viên hướng dẫn Phạm Văn Chính ThS.Phạm Thị Hoa Nguyễn Đức Hỗ 2
Lời nói đầu Việc tỡm ra và phỏt triển nguồn năng lượng điện có thể nói là một sự kiện vĩ đại nhất của con người, mà cũng chính nhờ sự kiện vĩ đại đó mà đó khiến cho thế giới thay đổi hoàn toàn: thế giới chuyển từ hỡnh thức lao động giản đơn lên thời kỳ đại công nghiệp, sức lao động được giải phóng, năng suất lao đông tăng cao… con người dần làm chủ thế giới. Và một trong những công cụ đắc lực nhất giúp đạt được những gỡ như ngày hôm nay đó chính là máy móc. Kể từ khi máy móc được phát minh ra thỡ ngay lập tức nú đó được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống từ những cỗ máy công suất nhỏ chỉ vài mmW tới hàng nghỡn W,đặc biệt là trong công nghiệp thỡ nú là tất cả. Nền cụng nghiệp càng phỏt triển thỡ kốm theo đó điều kiện cần là máy công nghiệp cũng phải hiên đại hơn. Và những đặc điểm về các mặt như tốc độ quay, độ tổn hao, công suất… của các máy này cũng ngày càng được quan tâm hơn theo hướng điều chỉnh sao cho phù hợp với yêu cầu sản xuất và mang tính đồng bộ hóa cao. Trong cuốn đồ án này em đó tập trung đi sâu vào lĩnh vực điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha với các nội dung chủ yếu sau: các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, và từ đó sẽ chọn ra một phương ỏn hiệu quả nhất cho việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện xoay chiều 3 pha ro to lồng súc. Nam Định, ngày 30, thang11, năm 2010 Sinh Viờn Trần Duy Cường ( Lưu ý: đây là bản chớnh ,phần mạch tương đối hoàn chỉnh, phần lý thuyết thỡ cũn thiếu, muốn đầy đủ và chi tiết hơn thỡ tham khảo:đồ án tốt nghiệp của Vũ Quang Trinh- ĐH Giao thông vận tải Hà Nội Nếu chỗ nào phụng chữ bị lỗi thỡ cỏc bạn chuyển về phụng .VNTime Chỳc cỏc bạn thanh cụng ! YM !: chandoiditu_1990 3
Chương I Các phương pháp điều chỉnh tốc độ I Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Động cơ không đồng bộ I.1 Cấu tạo: gồm 2 phần a) Stato: là phần tĩnh của động cơ bao gồm lõi thép (ghép từ các lá thép kĩ thuật điện) có răng để chứa dây quấn. Stato được gắn vào bệ động cơ với nắp có ổ trục định vị cho rôto (hình 1). b) Rotor: gồm lõi thép (mạch từ) hình trụ các rãnh đặt dây quấn. Lõi thép có trục quay định tâm để gắn vào ổ trục trên stato. - Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) có dây quấn dạng lồng sóc là các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm đặt trong các rãnh rotor, hai đầu các thanh dẫn nối tắt với nhau bằng vòng ngắn mạch. - Rotor dây quấn (rotor pha) có ba đầu dây ra của dây quấn được nối với ba vòng đồng ở đầu rotor, tiếp xúc với ba chổi than ở stato để dẫn ra ngoài. Dây quấn stato Stato Rotor Hình 1.1: Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ 4
I.2 Nguyên lý làm việc Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn roto, làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E 2 sẽ sinh ra dòng điện I 2 chạy trong dây quấn. Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay phải. n1 M Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía trên rôto hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía dưới rôto hướng từ ngoài vào trong. Dòng điện I 2 tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rôto và mômen quay làm cho rôto quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tốc độ quay của rôto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stato n 1 . Có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện I 2 và mômen M. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ. Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt: n1  n (1.1) S n1 Trong đó: n tốc độ quay của roto f1 tần số dòng điện lưới P số đôi cực n 1 tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ đồng bộ của động cơ) 5
60 f 1 (1.2) n1  P Khi tần số của mạng điện thay đổi thì n 1 thay đổi làm cho n thay đổi. Khi mở máy thì n = 0 và S = 1 gọi là độ trượt của máy. Dòng điện trong dây cuốn và từ trường quay tác dụng tương hỗ nên nhau nên khi rôto chịu tác dụng của mômen M thì từ trường quay cũng chịu tác dụng của mômen M theo chiều ngược lại. Muốn cho từ trường quay với tốc độ n 1 thì nó phải nhận một công suất đưa vào gọi là công suất điện từ. 2n1 (1.3) Pđt  M1  M 60 Khi đó công suất điện đưa vào: (1.4) P1  3UI cos  Ngoài thành phần công suất điện từ còn có tổn hao trên dây quấn điện trở stato. Pd 1  3r12 I12 (1.5) Tổn hao sắt: Pst  P (1.6) Pđt  P1  Pđt  Pst Công suất cơ ở trục là: 2n P2'  M  M (1.7) 60 Công suất cơ nhỏ hơn công suất điện từ vì còn tổn hao trên dây quấn rôto: (1.8) P2  Pđt  Pd 2 Trong đó: (1.9) Pd 2  m2 I 2 r2 m 2 số pha của dây cuốn rôto Vì P2'  Pđt do đó n < n 1 Công suất cơ của P 2 đưa ra nhỏ hơn P2' vì còn tổn hao do ma sát trên trục động cơ và tổn hao phụ khác: P2  P2'  Pco  Pf (1.10) Hiệu suất của động cơ: 6
P2 (1.11)   (0.8  0.9) P1 II Các đại lượng cơ bản của động cơ không đồng bộ II.1 Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và tốc độ của từ trường quay stato n 1 Ta có: n1  n (1.12) s n1 Hay tính theo phần trăm: n1  n (1-13) S oo  100 o o n1 Xét về mặt lý thuyết giá trị S sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0  100% Trong đó: 60 f 1 (1.14) n1  p n  n1 (1  s ) (1.15) II.2 Sức điện động của mạch rôto lúc đứng yên (1.16) E 20  4,44 K 2 f 20W2  m Trong đó:  m trị số cực đại của từ thông trong mạch từ K 2 là hệ số dây quấn rôto của động cơ f 20 tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây, vì rôto đứng yên nên: Pn1 (1.17) f 20  60 f 20 bằng với tần số dòng điện đưa vào f1 II.3 Sức điện động khi roto quay: Tần số trong dây quấn rôto là: (n1  n ) p n1  n n1 p (1-18)   f 2s X 60 n1 60 7
Vậy f 2 s  sf 1 (1-19) Sức điện động trên dây quấn rôto lúc đó là: E 2 s  4,44 f 2 sW 2 K 2  m (1-20) Với f 2 s  s. f1 thế vào (1.19), ta được: E 2 s  4 , 44 f 1W 2 K 2  m S (1-21) II.4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ: Phương trình đặc tính cơ: 3U1.r2' (1) M   r   w 1  r  2   x 1  x '2  s   Biểu thức (1) là phương trình đặc tính cơ, biểu diễn quan hệ m = f(n). Lấy đạo hàm của mômen theo hệ số trượt và cho dm/ds= 0. Ta có hệ số trượt tương ứng với mômen tới hạn mt gọi là hệ số trượt tới hạn: r2 ' Sth = (2) r2 2  ( x1  x2 ' )2 Do đó ta có biểu thức mômen tới hạn: 3 p.U12 Mth = (3)   2 w1. r1  r12  xn 2 Ta có dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ như sau: - Từ (1)(2)&(3) có: r2 ' = (4) r12  xn 2 8
2 M th 1    M= s (5) s  th  2 sth s - Đối với động cơ rôto lồng sóc có công suất lớn thì r1
- Dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với rôto khi điện áp lưới giảm. - Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ. - Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp. III Các phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ: III.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số Việc thay đổi tần số f của dòng điện stato thực hiện bằng bộ biến đổi tần số. Ta có: Phương trình điện áp dây quấn stato . . = I 1 Z 1 - E1 U 1 Trong đó: Z 1 = R 1 + JX 1 là tổng trở dây quấn stato R 1 Là điện trở dây quấn stato - - X 1 = 2 π fL 1 là điện kháng tản dây quấn stato đặc trưng cho từ thông tản stato - f. Tần số dòng điện stato - L 1 . Điện cảm tản stato E 1 Sức điện động pha stato do từ thông của từ trường quay - sinh ra có trị số là: E 1 = 4,44 fw 1 kdq 1  (1) max w 1 , kdq 1 Thứ tự là số vòng dây quấn và hệ số dây quấn của - một pha stato - Hệ số dây quấn kdq 1 < 1, nói nên sự giảm sức điện động của dây quấn do quấn rải rác trên rãnh và bước rút ngắn. -  max Biên độ từ thông của trường quay 10
Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ Từ phương trình: (1) U1 Ta có  max tỉ lệ thuận với tỉ số . Khi thay đổi tần số người ta mong f muốn giữ cho  max không đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức. Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số điện áp U 1 và điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi f, tần số f không đổi. Việc điều chỉnh tốc độ quay bằng thay đổi tần số thích hợp khi điều chỉnh cả nhóm động cơ lồng sóc. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số cho phép điều chỉnh tốc độ một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng. III.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đối số đôi cực Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp. Để thay đổi số đôi cực P ta thay đổi cách đấu dây và cũng là cách thay đổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato của động cơ. Khi thay đổi số đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở stato và rôto là như nhau. Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở rôto cũng phải thay đổi theo. Do đó rất khó thực hiện cho động cơ rôto dây quấn, nên phương pháp 11
này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở rôto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp tốc độ thì kích thước, trọng lượng, giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là 4 cấp tốc độ. Số đôi cực của từ trừơng quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn, theo quan hệ: Thay đổi số đôi cực p sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. Để có thể thay đổi được số đôi cực p người ta phải chế tạo những động cơ điều khiển đặc biệt, có các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được p khác nhau, gọi là máy đa tốc. Ta có công thức tính tốc độ của từ trường quay như sau: 60f1 n1 = và n= n1(1-S) p Theo như công thức trên ta thấy rừ ràng một điều rằng khi số đôi cực (p)thay đổi thỡ kộo theo đó thỡ tốc độ động cơ (n) cũng thay đổi theo. Và từ đây ta cũng có được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dựa vào số đôi cực sau: a. Phương pháp đổi nối Y/YY Ta cú: nyy =2 ny Nghĩa là tốc độ của động cơ khi đấu YY lớn hơn gấp 2 lần so với khi đấu Y. để xây dựng được đặc tính điều chỉnh ta cần xác định được Mth ,và Sth .khi thực hiện đấu Y thỡ 2 cuộn stato đấu nối tiếp nên: 12
R1y = 2R1 , X1y = 2X1 R2y = 2R2 , X2y = 2X2 , Xny = 2Xn R1 ,R2 ,X1 ,X2 là điện trở và điện kháng của các cuộn dây stato và roto Sơ đồ nguyên lý đấu YY Như vậy điện áp trên mỗi cuộn dây là: Ud U1 = 3 Khi đấu Y thỡ: R’ 2 Sthy = 2 R 1+Xnm Moomen tới hạn khi đấu Y sẽ được tính bằng: 13
1 Mthy = 3U21f 4n1y (R1+ R21+X2nm) 9,55 Khi nối YY thỡ 2 cuộn dõy nối song song nờn: R1 x1 R1yy = , x1yy = 2 2 R2 X2 R2yy = , X2yy = 2 2 1 Mthyy = 3U21f lúc đó 2n1yy (R + R21+X2nm) 9,55 1 So sỏnh giữa cỏc biểu thức trờn ta thấy Mthyy 4n1y = =2 Mthy 2n1yy Vậy Mthyy = 2Mthy Và Sthy = Sthyy Như vậy khi đổi nối từ đấu Y sang cách đấu YY thỡ momen tới hạn tăng gấp đôi cũn độ trượt tới hạn thỡ như nhau. Tương tự như cách tính trên thỡ ta cũng cú: Vậy Pyy = 2Py 14
Ngoài phương pháp đổi nối trên ta cũn cú một số phương pháp đổi nối khác như: /YY, từ Y/Y ngược… Nhận xột và ứng dụng + Nhận xột: Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, giá thành hạ Các đường đặc tính đều cứng và tổn thất phụ không đáng kể Động cơ làm viêc chắc chắn Việc điều chỉnh khá đơn giản +Nhược điểm: kích thước động cơ lớn Dải điều chỉnh không rộng Giỏ thanh cao Hiệu suất sử dụng dõy quấn thấp + Ứng dụng: phương pháp này thường được dùng trong các máy như máy mài vạn năng, thang máy nhiều tầng, máy nâng trong hầm mỏ, bơm ly tâm, quạt thông gió… 15
III.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho Xtato Phương pháp này chỉ thực hiện việc giảm điện áp. Khi giảm điện áp đường đặc tính M = f(s) sẽ thay đổi do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi. Hệ số trượt S 1 , S 2 , S 3 ứng với điện áp U 1 đm, 0.85U 1 đm, 0,7U đm 1 MC Nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng điện áp là giảm khả năng quá tải của động cơ, dải điều chỉnh tốc độ hẹp, tăng tổn hao ở dây quấn rôto: Pđt  sPđt  sMw1 Việc điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp được dùng chủ yếu với các động cơ công suất nhỏ có hệ số trượt S th lớn. III.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rôto Thay đổi điện trở mạch rôto, bằng cách mắc biến trở ba pha vào mạch rôto. Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn so với biến trở mở máy. Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn khi có biến trở điều chỉnh tốc độ. Ta thấy rằng khi tă ng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm. 16
Nếu mômen cản không đổi, dòng rôto không đổi, khi tăng điện trở để giảm tốc độ, sẽ tăng tổn hao công suất trong biến trở, do đó phương pháp này không kinh tế. Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đối rộng, được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ công suất cỡ trung bình. Từ những phương pháp điều chỉnh trên ta thấy phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số có những ưu điểm hơn cả. Từ những ưu điểm đó ở đồ án này em dùng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số làm phương án để điều điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. 17
Chương II Lựa chọn phương án mạch lực và mạch điều khiển I. Phương án mạch lực Sơ đồ mạch lực: Chỉnh Lọc Nghịch ĐC lưu lưu I.1. Bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu có chức năng biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, ở đây ta dùng mạch chỉnh lưu hình cầu không điều khiển, bộ chỉnh lưu bao gồm các nhóm van điều chỉnh lưu và máy biến áp. - Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều - Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải thiện được dạng sóng nguồn điện lưới. Ngoài ra còn có tác dụng hạn chế tốc độ 18
tăng của dòng anod. So với chỉnh lưu không điều chỉnh hình tia thì chỉnh lưu hình cầu có đặc điểm sau: + Có điện áp đặt nên van nhỏ hơn 2 lần so với hình tia + Điện áp đầu ra phía chỉnh lưu có độ nhấp nhô thấp chất lượng điều chỉnh tốt hơn + Có điện áp nguồn nhỏ hơn so với hình tia, máy biến áp tận dụng triệt để hơn, lõi thép không bị từ hóa. Nhưng ở sơ đồ hình cầu có Dioed nhiều hơn 3 van nên giá thành đắt hơn. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Dạng sóng đầu ra 19
Nguyên lý hoạt động: Mạch dùng 6 Diode chia là m 2 nhóm: +Nhóm lẻ: D 1 , D 3 , D 5 các Katot đấu chung +Nhóm chẵn: D 2 , D 4 , D 6 các Anot đấu chung U Ud u 2a u 2b u 2c A 0 B  C t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 Các Diode nhóm lẻ dẫn điện khi điện thế cực A dương nhất Các Diode nhóm chẵn dẫn điện khi điện thế cực K âm nhất - Từ t1  t 2 : U 2 a dương nhất và U 2b âm nhất nên D 1 và D 6 dẫn. - Từ t 3  t 4 : U 2b dương nhất và U 2c âm nhất nên D 3 và D 2 dẫn - Từ t 5  t 6 : U 2c dương nhất và U 2 a âm nhất nên D 5 và D 4 dẫn Bảng tóm tắt hoạt động: Khoảng Chiều dòng điện Diode mở Điện áp tải U d Từ A đến B 1 và 6 t1  t 2 u 2 a  u 2b A-C 1-2 t2  t3 u 2 a  u 2c B-C 3-2 t3  t 4 u 2b  u 2c B-A 3-4 t4  t5 u 2b  u 2 a C-A 5-4 t5  t 6 u 2c  u 2 a C-B 5-6 t 6  t7 u 2c  u 2b 20