Đồ án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần - ĐHCN TP.HCM

Tổng hợp đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần. Phân tích nguyên lý, cấu trúc hệ thống và mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Tạ Văn Tiến
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Ngọc Hội
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp
• Đề tài: Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

Đồ án truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ (KĐB) 3 pha bằng biến tần tập trung nghiên cứu giải pháp điều khiển tiên tiến nhằm khắc phục hạn chế của động cơ KĐB vốn có tốc độ không thể điều chỉnh linh hoạt. Động cơ KĐB 3 pha chiếm tỷ lệ lớn trong công nghiệp nhờ cấu trúc đơn giản, giá thành thấp và khả năng hoạt động ổn định từ lưới điện xoay chiều. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ gặp khó khăn do đặc tính cơ tự nhiên cứng, dẫn đến dải điều chỉnh hẹp. Biến tần ra đời như giải pháp tối ưu khi sử dụng linh kiện bán dẫn công suất cao, cho phép biến đổi tần số và điện áp nguồn cấp, từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu. Phương pháp này mang lại hiệu suất cao, chất lượng điều khiển tốt và phạm vi điều chỉnh rộng, phù hợp với nhu cầu công nghiệp hiện đại.

1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ KĐB 3 pha hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp điện áp 3 pha lệch pha 120° vào stator, từ trường quay được tạo ra với tốc độ đồng bộ n0 = 60f1/p (vòng/phút), trong đó f1 là tần số lưới, p là số đôi cực. Từ trường quay này quét qua các thanh dẫn rotor, sinh ra dòng điện cảm ứng theo định luật Lenz. Dòng điện tương tác với từ trường quay tạo ra momen điện từ theo quy tắc bàn tay trái, khiến rotor quay theo chiều từ trường nhưng tốc độ luôn nhỏ hơn n0 (tốc độ không đồng bộ). Độ trượt s = (n0 - n)/n0 quyết định momen và hiệu suất hoạt động của động cơ.

1.2. Vai trò của biến tần trong điều chỉnh tốc độ

Biến tần là thiết bị điện tử chuyển đổi nguồn điện xoay chiều tần số cố định thành nguồn xoay chiều có tần số và điện áp thay đổi. Nó điều khiển tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số cấp cho stator, từ đó thay đổi tốc độ từ trường quay n0. Phương pháp này vượt trội so với các giải pháp cũ như điều chỉnh điện áp hay thay đổi số đôi cực vì cho phép điều khiển liên tục, phạm vi rộng (thường 0-100% tốc độ định mức) và tiết kiệm năng lượng. Biến tần còn cung cấp khả năng khởi động mềm, giảm dòng khởi động và bảo vệ động cơ khỏi quá tải.

II. Phân tích các vấn đề trong điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha gặp nhiều thách thức do đặc tính cơ tự nhiên cứng và phụ thuộc vào tần số lưới. Các phương pháp điều chỉnh truyền thống như giảm điện áp stator hay thay đổi số đôi cực có phạm vi điều chỉnh hẹp, gây mất ổn định momen khi tốc độ thay đổi. Đặc biệt, khi giảm tốc độ, momen tới hạn giảm mạnh do ảnh hưởng của điện trở rotor và điện kháng stator, dẫn đến khả năng quá tải cao. Hơn nữa, hệ thống truyền thống thiếu linh hoạt trong điều khiển đa tốc độ, không đáp ứng yêu cầu công nghiệp hiện đại về độ chính xác và hiệu suất. Biến tần ra đời nhằm giải quyết những hạn chế này thông qua điều khiển tần số, nhưng đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về điện tử công suất và điều khiển vector.

2.1. Hạn chế của các phương pháp điều chỉnh tốc độ truyền thống

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ truyền thống như điều chỉnh điện áp stator hay sử dụng bộ ly hợp trượt điện từ đều có nhược điểm nghiêm trọng. Điều chỉnh điện áp làm giảm momen khởi động và momen tới hạn theo tỷ lệ bình phương điện áp, gây khó khăn trong khởi động tải nặng. Bộ ly hợp trượt điện từ tiêu tốn năng lượng do trượt cơ học, hiệu suất thấp và độ bền kém do hao mòn cơ học. Thay đổi số đôi cực chỉ cung cấp các tốc độ cố định (thường 2-4 tốc độ), không đáp ứng nhu cầu điều chỉnh liên tục. Những hạn chế này khiến các hệ thống truyền động KĐB trở nên kém linh hoạt và kém hiệu quả trong ứng dụng công nghiệp.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống điều khiển biến tần

Hệ thống điều khiển biến tần phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe về độ chính xác, độ tin cậy và khả năng thích ứng. Đầu tiên, biến tần cần có khả năng điều khiển tần số từ 0 đến tần số định mức (thường 50/60Hz) với độ phân giải cao, đảm bảo tốc độ động cơ ổn định ở mọi mức tải. Thứ hai, hệ thống phải tích hợp các chế độ điều khiển như V/f, điều khiển vòng hở (scalar) và điều khiển vòng kín (vector) để phù hợp với yêu cầu tải khác nhau. Ngoài ra, biến tần cần có khả năng chống nhiễu điện từ, bảo vệ quá dòng, quá nhiệt và mất pha, đồng thời hỗ trợ giao tiếp với các hệ thống điều khiển bậc cao như PLC.

III. Giải pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

Biến tần là giải pháp tối ưu cho điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha nhờ khả năng biến đổi linh hoạt tần số và điện áp nguồn cấp. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, sau đó nghịch lưu thành xoay chiều có tần số và biên độ điều chỉnh. Phương pháp điều khiển V/f (tỷ lệ điện áp/tần số) phổ biến nhất, giữ cho tỷ lệ U/f không đổi để duy trì từ thông không đổi, đảm bảo momen ổn định ở mọi tốc độ. Đối với yêu cầu cao hơn, điều khiển vector (FOC) được áp dụng để tách biệt thành phần dòng điện từ thông và dòng điện momen, mang lại hiệu suất và độ chính xác vượt trội. Hệ thống biến tần còn tích hợp các chức năng bảo vệ tiên tiến, khởi động mềm và giám sát liên tục, nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyền động.

3.1. Nguyên lý điều khiển V f trong biến tần

Điều khiển V/f là phương pháp điều khiển scalar đơn giản nhưng hiệu quả, giữ tỷ lệ giữa điện áp stator U1 và tần số f1 không đổi (U1/f1 = const) để duy trì từ thông không đổi trong khe hở không khí. Khi tần số thay đổi, điện áp cũng thay đổi theo tỷ lệ tương ứng, đảm bảo momen khởi động và momen tới hạn ổn định. Phương pháp này phù hợp cho các ứng dụng tải quán tính thấp như quạt, bơm. Tuy nhiên, ở tần số thấp, điện trở stator trở nên đáng kể, gây giảm momen, do đó cần bù điện áp để khắc phục. Điều khiển V/f dễ triển khai nhưng không đáp ứng được yêu cầu điều khiển chính xác ở tốc độ thấp.

3.2. Ưu điểm của điều khiển vector FOC trong biến tần

Điều khiển vector (Field Oriented Control - FOC) là phương pháp điều khiển tiên tiến, tách dòng stator thành hai thành phần trực giao: dòng điện từ thông (Id) và dòng điện momen (Iq). Bằng cách điều khiển độc lập hai thành phần này thông qua biến đổi Park/Clarke, FOC cung cấp khả năng điều khiển động cơ giống như động cơ một chiều, với độ chính xác cao, đáp ứng nhanh và phạm vi điều chỉnh rộng. Phương pháp này cho phép điều khiển momen tức thời, cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm tổn thất nhiệt. FOC đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như máy CNC, băng tải tốc độ biến đổi và hệ thống điều khiển chuyển động.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của đồ án

Đồ án nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng biến tần chứng minh tính hiệu quả vượt trội của phương pháp này trong công nghiệp hiện đại. Biến tần không chỉ giải quyết vấn đề điều chỉnh tốc độ linh hoạt mà còn nâng cao hiệu suất năng lượng, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ động cơ thông qua khởi động mềm và bảo vệ quá tải. Các phương pháp điều khiển như V/f và FOC cung cấp giải pháp toàn diện cho đa dạng ứng dụng, từ tải quán tính thấp đến hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao. Kết quả nghiên cứu khẳng định biến tần là xu hướng phát triển chủ đạo trong truyền động điện xoay chiều, thay thế dần các phương pháp truyền thống nhờ ưu điểm vượt trội về hiệu suất, linh hoạt và độ tin cậy.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

Việc áp dụng biến tần trong điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB mang lại lợi ích kinh tế đáng kể thông qua tiết kiệm năng lượng. Theo nghiên cứu, biến tần có thể tiết kiệm 20-30% điện năng tiêu thụ so với phương pháp điều chỉnh truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng tải biến đổi như quạt gió, máy nén khí. Về mặt kỹ thuật, biến tần cung cấp khả năng điều khiển chính xác, giảm hao mòn cơ học, kéo dài tuổi thọ động cơ và thiết bị. Ngoài ra, hệ thống biến tần hiện đại tích hợp các chức năng giám sát và chẩn đoán từ xa, giúp giảm thời gian bảo trì và nâng cao độ tin cậy của hệ thống sản xuất.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong công nghiệp

Biến tần đang trở thành giải pháp chuẩn trong hầu hết các ngành công nghiệp nhờ khả năng điều khiển linh hoạt và hiệu quả năng lượng. Trong ngành sản xuất, biến tần được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống băng tải, máy đóng gói và dây chuyền lắp ráp tự động. Ngành xử lý nước và hóa chất ứng dụng biến tần trong điều khiển bơm, quạt và máy nén. Ngành khai thác mỏ và xi măng sử dụng biến tần cho các máy nghiền, băng tải tải nặng. Với sự phát triển của IoT và AI, biến tần thế hệ mới tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo bảo trì và tối ưu hóa hiệu suất, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp 4.0.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP  ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG BIẾN TẦN CBHD : TH. S Lê Ngọc Hội SVTH : Tạ Văn Tiến MSSV : 11010603 TP Hồ Chí Minh – Tháng 6/2013  Đồ án Truyền động A. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI M áy điện không đồng bộ (KĐB) là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày… vì có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác.

Trong công nghiệp, động cơ KĐB 3 pha là loại động cơ chiếm 1 tỷ lệ rất lớn. Dải công suất của động cơ cũng rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW. Đó là do động cơ KĐB có những ưu điểm: kết cấu đơn giản, gọn, chế tạo dễ, vận hành dễ dàng, nguồn cấp lấy ngay từ lưới điện công nghiệp. Tuy nhiên, các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dung động cơ KĐB lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ 1 chiều.

Đó là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp. Chỉ khi có linh kiện bán dẫn công suất lớn (transistor, thyristor…) phát triển cùng với kỹ thuật điện tử tin học thì các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ KĐB mới được khai thác mạnh hơn. Hiện nay có rất nhiều hệ thống điều tốc động cơ KĐB, chằng hạn như: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đôi cực, điều tốc biến tần… Trong đó hệ thống điều tốc biến tần có hiệu suất cao nhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và là phương hướng phát triển chủ yếu của điều tốc xoay chiều. Trong giới hạn đồ án này chỉ đề cập đến vấn đề điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng biến tần.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I. Cấu tạo: Hình 1: Cấu tạo ĐCKĐB a) Phần tĩnh (Stato) Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi sắt và dây quấn * Vỏ máy 2  Đồ án Truyền động Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy.

Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau. *Lõi sắt Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại.

Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại. *Dây quấn Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn stato gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120o điện. b) Phần quay (roto) Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc.

Rotor dây quấn : Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.

Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ. Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và 3  Đồ án Truyền động được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. c) Khe hở không khí Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều.

Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm). Để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. Nguyên lý làm việc: - Như đã biết trong vât lý, khi dòng điện xoay chiều 3 pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng đi qua 3 cuộn dây là từ trường quay. Nếu trong từ trường quay có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn này và làm xuất hiện 1 sức điện điện cảm ứng trong các thanh dẫn.

Trong động cơ KĐB thì phía roto ( phần cảm ứng sức điện động ) được nối ngắn mạch làm xuất hiện dòng điện ( ngắn mạch ) trên dây quấn roto, dòng điện có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng cảm ứng này 1 lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra 1 momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. - Tốc độ quay của roto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quét qua các thanh dẫn nữa nên sẽ không có dòng điện cảm ứng nên momen quay cũng không còn.

Khi đó, do momen cản roto sẽ quay chậm hơn từ trường quay và các thanh dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn của từ trường quay. Động cơ hoạt động với nguyên tắc này nên được gọi là động cơ không đồng bộ. 4  Đồ án Truyền động - Tốc độ quay của từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số đôi cực càng lớn thì tốc độ từ trường quay càng giảm. Với cuộn cảm tạo ra từ trường có p đôi cực thì tốc độ quay giảm p lần là f1 (vòng/s) p Hay n0 = 60 f 1 (vòng/phút) p (1) Hoặc ω0 = 2.

(rad/s) p = f1 p no, ωo là tốc độ từ trường quay, cũng là tốc độ lớn nhất mà rotor có thế đạt được khi không có bất kì lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ đồng bộ hay tốc độ không tải lý tưởng. Tần số lưới điện Việt Nam là 50Hz và vì p là số nguyên nên tốc độ đồng bộ thường là 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500… (vòng/phút). Tốc độ không đồng bộ của rotor n2 nhỏ hơn tốc độ đồng bộ no và sự sai lệch này được đánh giá qua 1 đại lượng gọi là hệ số trượt s: s = n0  n2 = 0  2 2 n0 0 = 1 - 0 (2) ở chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị 0  s  1.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor cũng là dòng xoay chiều với tần số xác định qua tốc độ tương đối của rotor khi từ trường quay: p. Đặc tính cơ của ĐCKĐB: 1) Phương trình đặc tính cơ: 5  Đồ án Truyền động Khi coi 3 pha động cơ là đối xứng, được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều hình sin 3 pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hòa thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế 1 pha. Đó là sơ đồ điện 1 pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rotor đã được qui đổi về stator: Hình 2: Sơ đồ thay thế 1 pha ĐCKĐB Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U 1ph.đm trên 1 pha mà rotor không quay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điện động cảm ứng E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số qui đổi sức điện động là: E KE = E 1 ph.đm Từ đó ta có hệ số qui đổi dòng điện: 1 KI = KE Và hệ số qui đổi trở kháng: KR = KX = KE = K 2E KI Với các hệ số qui đổi này, các đại lượng ở rotor được qui đổi về phía stator theo cách sau: - Dòng điện : I’2 = KI.I2 6  Đồ án Truyền động - Điện kháng : X’2 = KX.X2 - Điện trở : R’2 = KR.R2 Các đại lượng khác trên sơ đồ thay thế hình 2: I0 – dòng từ hóa của động cơ.

Rm, Xm – điện trở và điện kháng mạch từ hóa. I1 – dòng điện cuộn dây stator. R1,X1 – điện trở và điện kháng cuộn dây stator. Dòng điện rotor qui đổi về stator được tính từ sơ đồ thay thế: I’2 = U1 ph  R' 2  R1  2    X1  X ' 2 2  s  (4) Khi động cơ hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang rotor thành công suất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P 2 đốt nóng cuộn dây: P12 = Pcơ + ∆P2 Nếu bở qua tổn thất phụ thì có thể xem momen điện từ Mđt của động cơ bằng momen cơ Mcơ: Mđt = Mcơ = M Từ đó: P12 = M. 0   0 (5) Mặt khác, công suất nhiệt trong cuộn dây 3 pha là: 7  Đồ án Truyền động ∆P2 = 3.I’22 Thay vào phương trình tính moment ta được: 2 3. R  2   X 2  0 1 nm  s    (6) Trong đó Xnm = X1 + X’2 là điện kháng ngắn mạch.

Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là phương trình đặc tính cơ của ĐCKĐB 3 pha. Với những giá trị khác nhau của s (0  s  1) phương trình đặc tính cơ cho ta những giá trị khác nhau của M. Đường biểu diễn M = f(s) gọi là đường đặc tính Hình 3: Đường đặc tính cơ của ĐCKĐB Đường đặc tính cơ có điểm cực trị K gọi là điểm tới hạn. Tại đó: dM ds = 0 8  Đồ án Truyền động R'2 Giải phương trình ta có: sth =  R1 2  Xnm 2 (7) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: 3 12ph Mth =  U 2.