CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ba pha Trong công nghiệp thường sử dụng nhiều loại động cơ song chúng ta cần chọn loại động cơ sao cho phù hợp nhất để vừa đảm bảo yếu tố kinh tế vừa đẩm bảo yếu tố kỹ thuật. Dưới đây là 1 vài loại động cơ thường gặp: Động cơ điện một chiều Loại động cơ này có ưu điểm là có thể thay đổi trị số của mômen và vận tốc góc trong phạm vi rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng. nhưng chúng lại có nhược điểm là giá thành đắt, khó kiếm và phải tăng thêm vốn đầu tư để đặt thiết bị chỉnh lưu, do đó được dùng trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, thang máy, máy trục, các thiết bị thí nghiệm.
Động cơ điện xoay chiều: bao gồm 2 loại: một pha và ba pha Động cơ xoay chiều một pha có công suất nhỏ do đó chỉ phù hợp cho dân dụng là chủ yếu. Động cơ xoay chiều ba pha: gồm hai loại: đồng bộ và không đồng bộ Động cơ ba pha đồng bộ có ưu điểm hiệu suất cao, hệ số tải lớn nhưng có nhược điểm: thiết bị tương đối phức tạp, giá thành cao vì phải có thiết bị phụ để khởi động động cơ, do đó chúng được dùng cho các trường hợp cần công suất lớn (>100kW), và khi cần đảm bảo chặt chẽ trị số không đổi của vận tốc góc. Động cơ ba pha không đồng bộ gồm hai kiểu: rôto dây cuốn và rôto lồng sóc Động cơ ba pha không đồng bộ rôto dây cuốn cho phép điều chỉnh vận tốc trong một phạm vi nhỏ (khoảng 5), có dòng mở máy thấp nhưng cos thấp, giá thành đắt, vận hành phức tạp do đó chỉ dùng hợp trong một phạm vi hẹp để tìm ra vận tốc thích hợp của dây chuyền công nghệ. Động cơ ba pha không đồng bộ rôto lồng sóc có ưu diểm là kết cấu đơn giản, giá thành hạ, dễ bảo quản, song hiệu suất thấp (cos thấp) so với động cơ ba pha đồng bộ, không điều chỉnh được vận tốc.
Từ những ưu, nhược điểm trên cùng với điều kiện hộp giảm tốc, ta chọn Động cơ ba pha không đồng bộ rôto lồng sóc. SVTH: 1 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha Hình GIỚI THIỆU CHUNG .1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 1.2 Các hệ thống truyền động điện điều khiển động cơ không đồng bộ Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện một chiều. Nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không gặp nhiều khó khăn với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh vànăng lượng tiêu thụ. Phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện: Trên stato: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực từ p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện.
Trên rotor: Thay đổi điện trở rôto, nối cấp hoặc đưa sđđ phụ vào rotor. Một số hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ: Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng điện trở xung trong mạch roto. Hệ điều khiển động cơ không đồng bộ bằng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng Thyristor. Hệ điều chỉnh pha Thyristor- Động cơ.
Hệ biến tần- động cơ không đồng bộ.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc vào điện áp. Nếu r’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U 1, hệ số trượt tới hạn sm sẽ không đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với bình phương diện áp. Họ đặc tính cơ cho thấy tốc độ thay đổi khi thay đổi điện áp. Phương pháp nầy chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi.
SVTH: 2 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha Hình GIỚI THIỆU CHUNG .2: Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp Thay đổi điện áp nguồn có thể áp dụng những cách sau: Biến áp xoay chiều Phân áp bằng điện kháng Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Hình GIỚI THIỆU CHUNG .3: Bộ điều áp xoay chiều 1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1, tần số f1 và mômen M. Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r1: SVTH: 3 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha Với C – hệ số Khi thay đổi tần số đặc tính cơ thay đổi Họ đặc tính cơ với U1 = const. Hình GIỚI THIỆU CHUNG .4: Đặc tính cơ của hệ BT-ĐCKĐB Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số: Hình GIỚI THIỆU CHUNG .5: Sơ đồ khối của bộ biến tần Rectifier – chỉnh lưu (AC → DC) Inverter – Nghịch lưu (DC → AC) f – control – điều khiển tần số Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f 1’, căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải không đổi: Do đó: Trong thực tế ứng dụng, thường yêu cầu mômen không đổi: SVTH: 4 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mômen tỉ lệ nghịch với tần số: Do đó: Khi thay đổi tần số f1, phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ. Trường hợp U1/f = const và tần số giảm có đặc tính cơ trên đồ thị, cách điều chỉnh này có các đặc tính thích hợp với loại tải cần MC = const khi vận tốc thay đổi.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto Hình GIỚI THIỆU CHUNG .6: Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào mạch rôto của động cơ rôto dây quấn.
Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến trở khởi động. Họ đặc tính cơ của ĐK rôto dây quấn khi dùng biến trở điều chỉnh tốc độ. Đặc điểm điều chỉnh: Khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm. SVTH: 5 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha Hình GIỚI THIỆU CHUNG .7: Đặc tính cơ của ĐK roto dấy quấn Biến trở làm việc theo nguyên tắc “băm xung”.
Hình GIỚI THIỆU CHUNG .8: Biến trở Tần số đóng cắt và điện trở tương đương của mạch Phương pháp nầy gây tổn hao trong biến trở nên làm hiệu suất động cơ giảm. Tuy vậy, đây là phương pháp khá đơn giản, tốc độ được điều chỉnh liên tục trong phạm vi tương đối rộng nên được dùng nhiều trong các động cơ công suất cở trung bình. Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ: SVTH: 6 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha Hình GIỚI THIỆU CHUNG .9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở roto 1.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn Năng lượng trên rô to với tần số f 2 = sf1 lẽ ra tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng một chiều, sau đó qua bộ nghịch lưu được biến đổi thành năng lượng xoay chiều tần số f trả về nguồn. Hình GIỚI THIỆU CHUNG .3 Bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Công suất động cơ nhỏ từ 1kW đến cỡ 30 kW, trung bình cỡ 30 – 300 kW, cỡ lớn hơn 300 kW. Các cơ cấu quay bằng động cơ rất đa dạng. Có thể kể ra một số loại tiêu biểu như bơm và quạt ly tâm, máy nén dạng piston hoặc trục vít, các dạng băng truyền. Động cơ truyền động ra cơ cấu quay thường qua dây đai cuaroa, qua hộp số, trục khuỷu cardan.
Một số trường hợp nối trực tiếp với trục quay của cơ cấu qua khớp nối có chốt bằng then ngang. Động cơ có thể khởi động trực tiếp, đóng thẳng vào lưới điện bằng công tăc tơ. Sơ đồ cho trên hình 6.15, đặc tính cơ (mô men – tốc độ) và đặc tính cơ điện (dòng điện SVTH: 7 Tên đề tài: Thiết kế bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha – tốc độ) của động cơ cho trên hình 6.17, đồ thị bằng nét đứt. Trên đồ thị đặc tính cơ chỉ ra mô men khởi động Mkđ, thường cỡ 1,25 đến 2 lần mô men định mức M đm.
Mô men cực đại của động cơ Mmax cỡ 2,5 đến 3 lần Mđm. Khởi động trực tiếp có thể phát huy mô men khởi động lớn, thời gian khởi động ngắn dưới 5s. Tuy nhiên khởi động trực tiếp có một số nhược điểm. Thứ nhất là mô men khởi động lớn có thể dẫn đến trượt dây đai, nhất là với những cơ cấu như bơm và quạt ly tâm thường có mô men quán tính lớn.
Độ giật lớn dẫn đến hao mòn ổ bi, khớp nối, dão dây đai, tăng chi phí bảo dưỡng, sửa chữa, tổn thất do dừng máy. Thứ hai là dòng khởi động rất lớn, cỡ 7 – 8 lần dòng định mức động cơ. Với những động cơ từ trung bình đến lớn dòng khởi động gây sụt áp trên đường dây, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị khác trong mạng lưới, làm các rơ-le bảo vệ tác động, gây dừng máy không mong muốn. Để tránh sụt áp hệ thống cung cấp điện có thể phải phức tạp hơn, gây tốn kém.
Nói chung với các động cơ lớn không cho phép khởi động trực tiếp. Hình GIỚI THIỆU CHUNG .11: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ. Q1: aptomat chính; F1, F2, F3: cầu chì bảo vệ ngắn mạch; K1: công tắc tơ chính; F7: phần tử nhiệt của rơ le bảo vệ quá tải. Sơ đồ khởi động sao – tam giác cho trên hình 1.12, đặc tính cơ và đặc tính cơ .điện cho trên hình 1.a, b, đồ thị các đường nét liền đậm.
Trên đường đặc tính cũng thể hiện đặc tính tải M c cho cơ cấu quạt gió, mô men cản tỷ lệ với bình phương tốc độ. Trên đường đặc tính cơ điện cho thấy khi chuyển tốc độ từ sao sang tam giác vẫn có thể có đỉnh dòng điện tương đối lớn, vượt ra ngoài đặc tính khi khởi động trực tiếp theo đường nét đứt.