Chương 1: Khái quát chung về hệ biến tần động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần 1. Cấu tạo của biến tần Khái niệm: biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều tần số khác có thể điều chỉnh được. Hình Khái quát chung về hệ biến tần động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.1 Sơ đồ khối của bộ biến tần Hình Khái quát chung về hệ biến tần động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.2 Hình ảnh thực tế của biến tần Cấu tạo của bộ biến tần gồm 3 khâu: Khâu chỉnh lưu: có chức năng biến đổi điện xoay chiều ( từ lưới điện có U1= const và f1= const) thành điện một chiều có điện áp Ud ( điều chỉnh hoặc không điều chỉnh).
Nó được thiết lập nhờ các van tiristo hoặc điode. Cũng có thể sử dụng bộ băm xung gồm chỉnh lưu điode và khóa băm tiristo. Yêu cầu điều chỉnh điện áp U1 trên stator động cơ cũng có thể được thực hiện nhờ sự thay đổi Ud của khâu chỉnh lưu. 5 Khâu nghịch lưu: làm nhiệm vụ biến đổi điện một chiều Ud và Id thành điện xoay chiều ba pha có tần số thay đổi theo yêu cầu để cấp vào stator động cơ.
Trong nhiều trường hợp, khâu nghịch lưu thực hiện cả việc thay đổi điện áp ra U1, mà không cần nhờ đến khâu chỉnh lưu ( khi đó dùng chỉnh lưu không điều khiển). Tùy theo sự thuận tiện thực hiện luật điều khiển động cơ, ta có thể dùng nghịch lưu nguồn áp hoặc nghịch lưu nguồn dòng. Khâu lọc: có tác dụng làm giảm sự đập mạch của điện áp Ud và dòng điện Id sau chỉnh lưu. Nếu dùng nghịch lưu nguồn áp thì khâu lọc có tụ lớn ( để giữ điện áp Ud = const), còn nếu dùng nghịch lưu nguồn dòng thì khâu lọc có cuộn cảm L ( để giữ Id =const).
Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần Đầu tiên nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất có cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0. Điện áp 1 chiều này được biến đổi nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng.
Công đoạn này được thực hiện thông qua hệ nghịch lưu IGBT ( transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chỉnh chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tùy theo chế độ điều khiển.
Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Tuy nhiên với tải là bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mômen là hàm bậc 2 của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải là bơm hoặc quạt do bản thân moomen cũng là hàm bậc hai của điện áp.
+ Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. + Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và tích hợp nhiều cổng truyền thông khác nhau rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.3 Sơ đồ nguyên lý của biến tần 1.
Chức năng của biến tần - Điều khiển tốc độ của động cơ: + Chức năng chính của bộ biến tần là điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha bằng cách cấp các dải tần số biến đổi được cho động cơ. - Tiết kiệm điện: + Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất, chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lương tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống. + Qua tính toán với các dữ liệu thực tế với các chi phí thực tế thì với một động cơ sơ cấp khoảng 100kW, thời gian thu hồi vốn đầu tư cho một bộ biến tần là khoảng từ 3 đến 6 tháng.
Hiện nay ở Việt nam đã có một số xí nghiệp sử dụng các bộ biến tần và cho kết quả rõ rệt. - Tăng hiệu suất làm việc của động cơ. - Điều khiển PID. 7 - Điều khiển zic zắc tốc độ.
- Điều khiển theo chiều dài và thời gian. -Không ngừng hoạt động khi mất điện tạm thời. - Dò tốc độ: khởi động mềm đối với động cơ đang còn quay. - Chức năng tự ổn áp, tự động ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp cấp không ổn định.
Khái quát chung về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha gồm 2 phần chính: Phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor).4 Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ a) Lõi thép: Lõi sắt là phần dẫn từ, vì từ trường quay nên để giảm tổn hao thì lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0.5 mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt.
Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành một khối. Nếu lõi sắt dài thường ghép thành nhiều thếp ngắn, mỗi thếp dài 6 đến 8 cm cách nhâu 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong của lá thếp có xẻ rãnh để đặt dây quấn.5 Lõi thép stator b) Dây quấn: Dây quấn stator của máy điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha là dây đồng kỹ thuật có tráng men cách điện và được cách điện tốt với lõi sắt.
Kiểu dây quấn máy điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha có 3 loại: dây quấn đồng tâm, quấn khuôn một lớp, dây quấn đồng khuôn 2 lớp. c) Vỏ máy: Làm bằng gang, thé, nhưng chủ yếu làm bằng gang dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy. Lõi thép: Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, mặt ngoài có xẻ rãnh, ở giữa có lỗ để lắp trục, ghép lại thành hình trụ.
Dây quấn: Dây quấn có hai kiểu: +) Dây quấn kiểu roto lồng sóc. +) Dây quấn kiểu rotor. - Rotor dây quấn : 9 Rotor dây quấn có kiểu giống như dây quấn stator và có số cực ở stator. Trong động cơ trung bình và lớn, dây quấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ.
Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn bap ha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vòng trượt bằng động thau gắn trên trục của rotor. Ba vành trượt này cách điện với nhau và với trục, tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than. Thông qua chổi than có thể đưa điện trở phụ vào mạch rotor, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi.6 Rotor dây quấn - Rotor lồng sóc : Kết cấu rất khác với dây quấn stator các dây quấn là các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor.
Hai đầu các thanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch. Như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc.7 Rotor lồng sóc - Khe hở : Giữa phần tĩnh và phân quay là khe hở không khí, khe hở rất ít thường là 0.2 mm đến 1 mm, do rotor là khối tròn nên khe hở rotor rất đều. Mạch từ động cơ không đồng bộ khép kín từ stator sang rotor qua khe hở không khí. Khe hở không khí càng lớn thì dòng từ hóa gây ra từ thông cho máy càng lớn hệ số công suất càng lớn.
Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha Khi được cung cấp dòng điện xoay chiều 3 pha có tần số f1 thì trong stator động cơ sinh ra từ trường quay, tốc độ quay của từ trường là n1 = 60f1/p. Từ trường quay này cắt thanh dẫn của rotor và stator làm sinh ra sức điện động tự cảm e1 và e2 tương ứng là: E1 = 4,44f1w1kdq E2 = 4,44f1w1kdq Do cuộn dây rotor tạo thành vòng khép kín nên có dòng điện chạy trong các thanh dẫn. Sự tác động tương hỗ của dòng điện chạy trong dây dẫn của rotor với từ trường sinh ra ngẫu lực, ngẫu lực này tạo ra momen quay. Momen này làm rotor quay với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ của từ trường n1 và có chiều cùng với chiều quay của từ trường quay n1.
Có thể giải thích sự không đồng bộ giữa tốc độ quay n và n1 như sau: n=n1 thì từ btrường không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có sức điện động cảm ứng, E2=0 dẫn đến I2=0 làm momen quay cũng bằng không, rotor quay chậm lại. Khi rotor chậm lại thì từ trường lại cắt các thanh dẫn nên tạo ra sức điện động làm sinh ra dòng điện do đó lại xuất hiện momen quay. Chính momen này làm cho rotor quay. Và rotor có tốc độ n khác n1 của từ trường quay nên gọi là động cơ không đồng bộ.
Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2: n2=n1-n, hệ số trượt của tốc độ là: s = (n1-n)/n1 = n2/n1 Từ đó suy ra: s% = (n1-n)/n1.100 11 Do đó tốc độ quay của rotor có dạng: n = n1(1-s) Khi rotor đứng yên (n=0), hệ số trượt s=1; khi rotor quay định mức thường có giá trị s = 0.