Đồ án: thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Đồ án nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Đăng Trình
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thái Hiệp
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Điện Kỹ Thuật
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Roto Lồng Sóc
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Quy Nhơn

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Bộ Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện hiện đại. Động cơ không đồng bộ ba pha chiếm tỷ lệ rất lớn trong công nghiệp nhờ vào kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và giá thành hạp. Bộ điều chỉnh tốc độ cho phép tối ưu hóa hoạt động của động cơ, giảm năng lượng tiêu thụ và tăng hiệu quả sản xuất. Với sự phát triển của công cụ bán dẫn công suất như thyristor và IGBT, các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đã trở nên khả thi và hiệu quả hơn. Đề tài này tập trung vào thiết kế mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha với giá thành thấp, đáp ứng yêu cầu thực tế của công nghiệp tự động hóa hiện đại.

1.1. Khái Niệm Về Động Cơ Không Đồng Bộ

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc là loại động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc đơn giản và độ tin cậy cao. Động cơ hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường quay được tạo ra bởi dòng điện ba pha. Rotor lồng sóc không có buộc từ, chỉ là các thanh dẫn điện nối với nhau bằng các vòng ngắn ở hai đầu. Sự chênh lệch tốc độ giữa từ trường quay và rotor gọi là độ trượt (slip), đây là đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ. Công suất 17kW, điện áp 380/220V là những thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho ứng dụng công nghiệp.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Trong Công Nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công nghiệp như máy bơm, quạt, máy nén khí và các thiết bị sản xuất. Việc điều khiển tốc độ giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể, giảm mức độ ồn và yêu cầu bảo trì. Trong lĩnh vực tự động hóa, bộ điều chỉnh tốc độ cho phép người vận hành điều chỉnh linh hoạt công suất và tốc độ theo nhu cầu thực tế, nâng cao hiệu suất lao động.

II. Phân Tích Và Lựa Chọn Mạch Động Lực

Mạch động lực trong hệ thống điều chỉnh tốc độ là thành phần chính chịu trách nhiệm chuyển đổi và điều khiển công suất điện. Lựa chọn mạch động lực phù hợp là yếu tố quyết định hiệu quả và độ tin cậy của toàn hệ thống. Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ khác nhau, bao gồm thay đổi điện trở phụ mạch rôto, thay đổi số đôi cực, thay đổi điện áp, và thay đổi tần số. Phương pháp thay đổi tần số sử dụng biến tần là hiệu quả nhất và được ưa chuộng trong công nghiệp hiện đại. Mạch biến tần gồm ba phần chính: chỉnh lưu, lọc và biến điều độ rộng xung (PWM), cho phép điều khiển mịn và hiệu quả.

2.1. Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ

Phương pháp thay đổi tần số là giải pháp tối ưu nhất để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ vì nó cho phép điều khiển mượt mà trên toàn dải tốc độ. Phương pháp thay đổi điện áp phù hợp cho ứng dụng đơn giản nhưng hạn chế về dải điều chỉnh. Thay đổi số đôi cực chỉ cho phép điều chỉnh rời rạc. Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto gây mất mát năng lượng lớn, không tiết kiệm.

2.2. Cấu Trúc Bộ Biến Tần

Bộ biến tần gián tiếp gồm ba khối chính: khối chỉnh lưu ba pha (thường sử dụng diode hoặc thyristor), khối lọc (tụ điện và cuộn cảm) để san phẳng điện áp DC, và khối biến điều độ rộng xung PWM. Phương thức điều khiển vòng hở được sử dụng trong đề tài này, tức là không cần phản hồi tốc độ, giảm độ phức tạp và chi phí hệ thống mà vẫn đáp ứng yêu cầu cơ bản.

III. Thiết Kế Mạch Điều Khiển Và Nguyên Lý Hoạt Động

Mạch điều khiển là bộ não của hệ thống điều chỉnh tốc độ, có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu điều khiển để điều khiển các thiết bị công suất. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc thay đổi tần số và điện áp cung cấp cho động cơ theo mối quan hệ U/f = hằng số, đảm bảo từ thông không đổi và hiệu suất tối đa. Mạch điều khiển bao gồm các thành phần như mạch dao động, mạch so sánh sóng tam giác, và mạch điều khiển cổng transistor. Tín hiệu PWM được tạo bằng cách so sánh tín hiệu điều khiển với sóng tam giác có tần số cao. Việc thay đổi tần số của sóng tam giác hoặc biên độ tín hiệu điều khiển sẽ thay đổi tần số và điện áp ra của biến tần.

3.1. Nguyên Lý Điều Khiển Tần Số

Nguyên lý U/f không đổi là cơ sở của điều khiển tần số hiệu quả. Khi tốc độ động cơ thay đổi, cần điều chỉnh cả tần số và điện áp để duy trì từ thông không đổi trong core động cơ. Điều này tránh được hiện tượng bão hòa từ và mất mát dẫn ra. Đối với động cơ 17kW, phạm vi tần số từ 0 đến 50Hz hoặc 60Hz được sử dụng để điều chỉnh tốc độ từ 0 đến 100% tốc độ danh định. Mối quan hệ giữa điện áp và tần số có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tùy theo đặc tính của động cơ.

3.2. Mạch Tạo Tín Hiệu PWM

Mạch so sánh sóng tam giác so sánh tín hiệu điều khiển AC với sóng tam giác tần số cao (thường 1-5 kHz) để tạo ra xung PWM. Xung PWM được sử dụng để điều khiển các transistor công suất, điều chỉnh tỉ lệ thời gian bật/tắt để kiểm soát điện áp trung bình ra của biến tần. Độ rộng xung càng lớn, điện áp ra càng cao. Tín hiệu PWM ba pha được tạo ra bằng cách sử dụng ba bộ so sánh độc lập, mỗi bộ có độ lệch pha 120 độ.

IV. Xây Dựng Mô Hình Kiểm Nghiệm Và Đánh Giá Kết Quả

Mô hình kiểm nghiệm được xây dựng để xác minh tính đúng đắn của thiết kế và đánh giá hiệu suất của bộ điều chỉnh tốc độ. Mô hình bao gồm toàn bộ các thành phần: mạch chỉnh lưu, lọc, biến tần PWM, và mạch điều khiển. Các bản vẽ A0 được lập bao gồm: sơ đồ động cơ không đồng bộ, mạch động lực, nguyên lý điều khiển, và mạch điều chỉnh chi tiết. Trong quá trình kiểm nghiệm, cần đo các thông số như tốc độ động cơ, điện áp, dòng điện, và xung PWM để xác nhận hiệu suất. Điều khiển vòng hở được áp dụng có thể đáp ứng yêu cầu cơ bản nhưng trong tương lai có thể phát triển thành điều khiển vòng kín để nâng cao độ ổn định.

4.1. Quy Trình Kiểm Nghiệm Và Đánh Giá

Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh tốc độ bắt đầu bằng kiểm tra các mạch điện tử cơ bản như mạch dao động, mạch so sánh trước khi nối vào động cơ. Sau đó, khởi động động cơ từ tốc độ 0 và gradually tăng tần số để quan sát sự phản ứng. Đo đạc các thông số điện như điện áp ra, dòng điện, và tần số ở các điểm khác nhau. So sánh kết quả thực tế với lý thuyết để đánh giá độ chính xác của mô hình thiết kế.

4.2. Phát Triển Và Ứng Dụng Trong Tương Lai

Hệ thống điều khiển vòng kín có thể được phát triển bằng cách thêm cảm biến tốc độ (encoder hoặc cảm biến hall) để phản hồi tốc độ thực tế. Điều này cho phép điều chỉnh tần số tự động để duy trì tốc độ mong muốn, nâng cao độ ổn định và độ chính xác. Các thuật toán điều khiển như PID có thể được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất. Bộ điều chỉnh có thể mở rộng để điều khiển nhiều động cơ hoặc tích hợp với hệ thống giám sát trung tâm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái niệm chung Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong sinh hoạt. Ngày nay nó được thay thế nhiều cho các động cơ điện một chiều, vì chúng có giá thành rẽ, cấu tạo đơn giản, có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao, ăn mòn… hơn nữa, hiện nay việc sử dụng các bộ biến tần đã mở ra một triển vọng lớn cho các loại động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên động cơ không đồng bộ vẫn còn một số nhược điểm sau: + Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, cho nên khi điện áp lưới giảm xuống sẽ làm cho mômen khởi động và mômen tới hạn giảm xuống rất nhiều. + Khe hở không khí nhỏ làm cho độ tin cậy giảm.

+ Khi điện áp lưới tăng dễ sinh tình trạng nóng quá mức đối với stato cũng như khi điện áp lưới giảm xuống dễ làm rôto nóng quá mức.2 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 1.1 Cấu Tạo Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn: dây quấn sơ cấp nhận điện áp lưới với tần số f1, dây quấn thứ cấp được khép kín. Dây quấn thứ cấp sinh ra dòng điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với tần số f2 và nó là hàm của tốc độ góc rôto ω. SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 7  Đồ án tốt nghiệp Động cơ không đồng bộ ( KĐB) được chia làm hai loại: Động cơ KĐB dây quấn và động cơ KĐB rôto lồng sóc. Động cơ KĐB dây quấn là loại động cơ mà rôto có dây quấn giống stato, dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao, ba đầu cũng được nối với vành trượt, đấu với mạch ngoài bằng chổi than.

Nhờ cơ cấu này mà ta có thể nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ. Động cơ KĐB rôto lồng sóc có dây quấn rôto khác hẳn với kết cấu của stato. Trong rãnh của rôto người ta đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm và nối tắt chúng ở hai đầu vòng ngắn mạch. Cấu tạo gồm hai phần chính: 0 + Phần cảm gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 và được cấp điện áp xoay chiều 3 pha để tạo từ trường quay.

Phần cảm đặt ở stato được nối sao hoặc tam giác. + Phần ứng cũng gồm 3 cuộn dây, thường đặt ở rôto, với rôto bằng sắt và rôto dây quấn.2 Nguyên lý hoạt động Động cơ KĐB làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đặt điện áp 3 pha vào 3 dây quấn 3 pha đặt lệch nhau 1200. Khi từ trường quay (giả thiết theo chiều kim đồng hồ) của phần cảm quay qua các thanh dẫn phần ứng thì các cuộn dây (hay thanh) của phần ứng xuất hiện 1 suất điện động cảm ứng. Nếu mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra (chiều được xác định bằng qui tắc bàn tay phải).

Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này, hai lực từ có chiều được xác định theo qui tắc bàn tay trái, và tạo ra mômem làm quay phần ứng theo chiều quay của từ trường quay. SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 8  Đồ án tốt nghiệp Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ xoay chiều 3 pha. Tốc độ quay của phần ứng luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu phần ứng quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường thì từ trường sẽ không cắt qua các thanh dẫn phần ứng nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng không còn.

Do mômen tải cản phần ứng sẽ quay chậm lại sau từ trường và các thanh dẫn phần ứng lại bị từ trường cắt qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện lại và do đó mômen làm phần ứng tiếp tục quay theo từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Tốc độ từ trường quay là ω0 (rad/s) hay n0 (vòng/phút) thì tốc độ quay của phần ứng ω luôn nhỏ hơn ω < ω 0, n<n0, sai lệch tương đối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s.3) f1: là tần số của lưới Tốc độ ω0 (rad/s) hay n0 (vòng /phút) là tốc độ lớn nhất mà rôto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này được gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Dòng điện cảm ứng trong phần dây phần ứng ở rôto cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối với từ trường quay.

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 9  Đồ án tốt nghiệp (1.3 Vận hành động cơ không đồng bộ a) Mở máy động cơ KĐB Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn có khi yêu cầu hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích hợp.

Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích hợp nên thường gây hỏng máy. Nói chung khi mở máy cần chú ý các yêu cầu sau: + Phải có mômen đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải. + Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. + Phương pháp mở máy và các thiết bị cần dùng phải đơn giản, kinh tế và chắc chắn.

+ Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. b) Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ Theo thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ là đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi bỏ qua tổn thất do ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ (1-3). SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 10  Đồ án tốt nghiệp Hình 1-3: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U1 là trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V). Iµ, I1 , - dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện rôto đã qui đổi về stato(A).

' Rµ , R1 , - điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về stato (Ω). Xµ, X 1 , - điện kháng tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch rôto đã qui đổi về stato (Ω). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng.5) SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 11  Đồ án tốt nghiệp Trong đó: X nm điện kháng ngắn mạch Xnm = X1 + Với những giá trị khác nhau của s , phương trình cho những giá trị M. Đường biểu diễn M=f(s) trên trục tọa độ s0M như hình vẽ, đó là đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha.

 S 0 0 A th K M 0 1 B Mmm Mth Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: Giải phương trình ta có: (1.6) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 12  Đồ án tốt nghiệp Vì ta đang xét trong giới han , (chế độ động cơ) nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng.

Trên đoạn này mômen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoan BK cong với tốc độ dốc dương, trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω =0 (s=1) và mômen mở máy: (1.8) Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (Mc =0) và tốc độ đồng bộ.

c) Ảnh hưởngcủa tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ Khi thay đổi f1 theo (1-9), tốc độ đồng bộ w0 thay đổi, đồng thời X1,X2 cũng bị thay đổi (vì X= 2π fL ) kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn sth và mômen tới hạn Mth. Quan hệ tới hạn theo tần số sth =f(f1) và mômen tới hạn theo tần số Mth=f(f1) là phức tạp nhưng vì ω0 và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth ta rút ra: SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH Trang 13  Đồ án tốt nghiệp Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth và mômen Mth đều tăng lên nhưng Mth tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức fđm thì tổng trở của cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1< fđm.

Ở vùng f1>fđm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1=Uđm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật  để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. f f1dm 0 f1dm f f1dm 0 M  Hình 1-5: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn. f f1dm  SVTH : NGUYỄN ĐĂNG TRÌNH0 Trang 14 f1dm 0 f f1dm M  Đồ án tốt nghiệp Hình 1-6:Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số kết hợp với thay đổi điện áp.3 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rải trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp và trong các thiết bị điện dân dụng. Ước tính có khoảng 50% lượng điện năng sản suất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện.