CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Điện năng là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân, là tiền đề cho sự phát triển của đất nước. Nhưng hiện tại nguồn tài nguyên sản xuất điện năng nước ta ngày càng cạn kiệt do việc khai thác bừa bãi. Do đó việc khai thác và sử dụng năng lượng hiệu quả là một trong những vấn đề quan trọng, đang được quan tâm hàng đầu hiện nay.
Động cơ điện và hệ thống truyền động động cơ điện (EDMS) sử dụng phần lớn năng lượng điện và tiêu thụ nhiều hơn gấp đôi so với các ứng dụng chiếu sáng. EDMS chiếm khoảng 43% - 46% điện năng tiêu thụ toàn cầu, làm tăng khoảng 6040 Mt CO2 phát thải. Đến năm 2030, mà không có các biện pháp chính sách sử dụng năng lượng toàn diện và hiệu quả, năng lượng tiêu thụ từ động cơ điện dự kiến sẽ tăng lên 13360 TWh mỗi năm và lượng khí thải CO2 và 8570 Mt mỗi năm. Khách hàng bây giờ chi tiêu 565.000 USD mỗi năm trên điện sử dụng trong EDMS, vào năm 2030 có thể tăng lên tới gần 900 tỷ USD.
1: Phân bố lượng điện năng tiêu thụ ở các lĩnh vực Điểm chung trong tất cả các thống kê ở các lĩnh vực là khả năng làm giảm đáng kể nhu cầu năng lượng động cơ điện toàn cầu thông qua việc thực hiện các phương pháp cải tiến nhằm mục đích giảm nhu cầu năng lượng của điều khiển động cơ. Nếu mỗi động cơ không đồng bộ vận hành tiết kiệm được một vài phần trăm nguồn năng lượng tiêu thụ thì tổng sản lượng điện tiết kiệm được sẽ vô cùng lớn và rất có ý nghĩa. Nhất là trong điều kiện hiện nay tình trạng thiếu năng lượng hiện nay đang là vấn đề đáng lo ngại đối với các quốc gia trên thế giới, nguồn năng lượng hóa thạch làm ra 1 điện ngày càng cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường. Nguồn điện từ các nhà máy điện nguyên tử cũng đã xảy ra những sự cố đáng tiếc gây nguy hiểm đến sức khỏe con người.
Trong khi đó nghành năng lượng Việt Nam vẫn còn nhiều bất cập bất cập như hiệu suất chung của ngành năng lượng còn thấp, nhiều cơ sở sản xuất vẫn còn sử dụng dây chuyền công nghệ lạc hậu, lựa chọn các thiết bị điện không đúng công suất hay do sự phân bố các thiết bị không hợp ý hoặc do chưa áp dụng được các giải pháp công nghệ tiên tiến vào qui trình sản xuất, nên gây ra những tổn thất và lãng phí điện năng không đáng có. Mục tiêu nguyên cứu - Thiết kế và thi công mô hình điều khiển động cơ theo nhiệt độ sử dụng biến tần và cảm biến nhiệt độ - Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dựng mô hình - Biên soạn các bài tập, bài thực hành về điều khiển động cơ theo nhiệt độ sử dụng biến tần và cảm biến nhiệt độ 1. Đối tượng và khách thể nghiên cứu - Bộ biến tần của hãng LS IG5A và động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc, cảm biến nhiệt 1. Nhiệm vụ nghiên cứu - Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha theo nhiệt độ sử dụng biến tần LS IG5A: ứng dụng các phương pháp điều kiển động cơ mới - Hướng dẫn và các bài tập ứng dụng mô hình 1.
Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết - Phân tích, tổng hợp - Thiết kế và thi công mô hình 1. Đóng góp của đề tài: ❖ Ý nghĩa khoa học - Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha theo nhiệt độ sử dụng biến tần LS IG5A: ứng dụng các phương pháp điều kiển động cơ mới ❖ Ý nghĩa thực tiễn - Mô hình, tài liệu thực hành dùng để giảng dạy 2 1. Kế cấu của đề tài Nội dung chính của đề tài được chia ra làm 5 chương. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: BIẾN TẦN VÀ CÁC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ THEO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG BIẾN TẦN VÀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ CHƯƠNG 4: CÁC BÀI THỰC HÀNH CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 3 CHƯƠNG 2 BIẾN TẦN VÀ CÁC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.
Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 𝐔𝟏𝐩𝐡𝐚 Điện áp U1pha đặt vào động cơ chỉ có thể thay đổi về phía giảm.Khi U1pha giảm rất nhanh thì momen tới hạn cũng giảm rất nhanh theo bình phương của U1pha , còn tốc độ đồng bộ: 2.f1 ω0 = = const (2-1) p Và độ trượt tới hạn Sth cũng không thay đổi. 1: Họ đặc tính khi thay đổi điện áp 𝑼𝟏 Nhận xét: Qua đồ thị ta thấy với một momen cản xác định điện áp lưới càng giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác vì momen khởi động M𝑘𝑑 và momen tới hạn M𝑡ℎ đều giảm theo điện áp nên khả năng quá tải và khởi động bị giảm dần.
Do đó nếu điện áp quá nhỏ thì hệ truyền động có thể không khởi động hoặc không làm việc được. Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho M𝑡ℎ giảm nhanh. Tuy nhiên S𝑡ℎ không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải không đổi : quạt gió, máy bơm ly tâm. Không thích hợp với phụ tải thay đổi.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách Thay đổi điện trở 𝐑 𝟐 ′ Trường hợp này chỉ đối với động cơ roto dây quấn vì mạch roto có thể nối qua vòng trượt ngoài chổi than. Động cơ roto lồng sóc không thể thay đổi được điện trở mạch roto. Việc thay đổi được điện trở chỉ có thể thực hiện về việc tăng điển trở mạch roto R 2 ′. Thì độ trượt tới hạn cũng tăng lên Sth.
Còn tốc độ đồng bộ ω0 và 4 momen tới hạn Mth giữ nguyên không đổi. Các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở của mạch roto được biểu diễn như hình vẽ. Điện trở mạch roto càng lớn thì đặc tính càng dốc. 2: Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi 𝑹𝟐 ′ Nhận xét: Mặc dù có các ưu điểm như trên nhưng vẫn còn có các nhược điểm sau: − Tốc độ ổn định kém.
− Tổn thất năng lượng lớn. Điều chỉnh tốc độ bằng cách Thay đổi điện trở 𝐑 𝟏 ,điện kháng 𝐗 𝟏 ở mạch stato Trường hợp này cũng chỉ thay đổi về phía tăng R1 hoặc X1. Khi nối thêm vào mạch stato R1 hoặc X1 thì ta thấy tốc độ đồng bộ ωo không đổi. Còn độ trượt tới hạn Sth và momen tới hạn Mth đều giảm.
Hình vẽ biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo. 3: Họ đặc tính cơ nhân tạo của ĐCKĐB khi thay đổi 𝑹𝟏 hoặc 𝑿𝟏 Nhận xét: Mặc dù có các ưu điểm như trên nhưng vẫn còn có các nhược điểm sau: − Tốc độ ổn định kém. 5 − Tổn thất năng lượng lớn. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực từ Khi số đôi cực thay đổi thì tốc độ đồng bộ ωn bị thay đổi.
Thông thường động cơ loại này được chế tạo với cuộn cảm stator có nhiều đầu dây ra để có thể đổi cách đấu dây tương ứng với số đôi cực nào đó.Tùy theo khả năng đổi nối mà động cơ KĐB được gọi là động cơ có 2,3,4…cấp tốc độ. Do số đôi cực thay đổi nhờ đổi nối cuộn cảm stator nên các thông số U1ph đặt vào cuộn pha,trở kháng R1 và cảm kháng X1 có thể bị thay đổi từ đó ,độ trược tới hạn Sth và moment tới hạn Mth có thể khác đi. Nhận xét: Khi thay đổi số đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở Stato và Roto là như nhau. Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở Stato thì ở Roto cũng phải thay đổi theo.
Do đó khó thực hiện cho động cơ Roto dây quấn, nên phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở Roto 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 lên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp tốc độ thì kích thước, trọng lượng và giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp tốc độ. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 𝐟𝟏 của nguồn điện áp cấp Khi thay đổi f1 thì tốc độ đồng bộ ω0 sẽ thay đổi vì: 2.f1 ω0 = (2-2) p đồng thời X1 , X 2 cũng bị thay đổi (vì X = 2πfL), kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn Sth và momen tới hạn Mth .7 biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi tần số.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số 𝑆𝑡ℎ = 𝑓(𝑓1) (2-3) Momen tới hạn theo tần số 𝑀𝑡ℎ = 𝑓(𝑓1) (2-4) Và 6 𝑈 2 𝑀𝑡ℎ = 𝐴. 12 (2-5) 𝑓 Trong đó A là hằng số.Ta thấy ω0 và X1 phụ thuộc tỉ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của Sth và Mth rút ra : Hình 2. 4: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện 𝒇𝟏 cấp cho động cơ Khi f1 > f1đ𝑚 ta có : 𝑅 ′ 1 ↓ 𝑆𝑡ℎ = 2. L2 Mômen tới hạn sẽ giảm theo quy luật : 𝑈 2 1 ↓ 𝑀𝑡ℎ = 8.(𝐿 +𝐿 ′ ) 𝑓1 2 ↑ 𝑝2 1 2 Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc của động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép ωmax bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ.
Khi f1 <f1đm tức là khi f1 giảm → ωt giảm → Sth tăng →Mth tăng. Khi tần số nguồn f1 giảm , độ trượt tới hạn Sth và momen tới hạn Mth đều tăng lên nhưng Mth tăng nhanh hơn. Do vậy độ cứng của đặc tính cơ tăng lên. Chú ý khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh.vì thế khi giảm tần số nguồn xuống dưới trị số định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ : U = const (2-8) f 7 2.
Biến tần VSD (Variable Speed Drive) cho động cơ KĐB 2. Đặc điểm của biến tần VSD Bộ điều khiển tốc độ vô cấp (VSD) còn gọi là bộ biến tần (inverter) có khả năng thay đổi tốc độ động cơ. Các thiết bị này sẵn có trong dải từ vài kW đến 750 kW.