CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ 1. Khái quát chung Động cơ đồng bộ ba pha, trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng MW ( truyền động cho các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền v. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử và công nghệ vật liệu, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất từ vài trăm W ( truyền động cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, người máy), đến hàng MW ( cho các truyền động kéo tàu tốc độ cao, máy nghiền, máy cán v.
Có thể phân loại động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính: - Loại rôto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài Mw. Cuộn kích từđược cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi. - Loại rôto là nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức: 2π f s ωs = (1.1) pp trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của động cơ Từ (1-1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ Hình 1.
Động cơ đồng bộ cực lồi ba pha biến đổi tần số. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hoà, các cuộn dây stato ba pha 13 đối xứng, các tham số của động cơ không thay đổi. Dây quấn rôto mang dòng điện một chiều, ta có thể coi rằng nam châm điện rôto tạo ra từ thông khe hở không khí, từ thông này tác động với dòng điện stato tạo mômen kéo rôto quay. Vì rôto luôn quay đồng bộ vởi từ trường stato (độ trượt bằng không) nên có thể gắn một hệ trục quay đồng bộ vào rôto, hệ trực giao này gọi là hệ d, q, trong đó trục d trùng với “cực bắc” của nam châm rôto.
Hình 1-1 là động cơ cực lồi bởi vì khe hở không khí là không đều, điều này tạo ra sự không đối xứng của mạch từ dọc theo trục d và trục q, trong trường hợp rôto được cấu tạo kiểu hình trụ tròn xoay với khe hở đều thì ta có động cơ đồng bộ cực ẩn. Ngoài dây quấn kích từ, trên rôto còn có thể có dây quấn cản, giống hệt dây quấn của động cơ không đồng bộ dùng để khởi động. Sơ đồ thay thế Với động cơ đồng bộ cực lồi thì do sự khác nhau về khe hở dọc và ngang trục, nên nói chung điện kháng dọc trục và ngang trục là khác nhau Xds ≠ Xqs ,do đó đồ thị véc tơ trở nên phức tạp hơn và được dựng theo từng trục, nếu bỏ qua Rs thì ta có đồ thị véc tơ như trên Hình 4-5. Sức điện động quay E có phương trùng trục oq, trong khi đó từ thông kích thích trùng với trục od.
Véc tơ điện áp và dòng điện pha stato được phân thành các thành phần dọc theo trục od và oq. Từ thông phản kháng của phần ứng Ψ a được cộng vào từ thông kích từ Ψ k để tạo thành từ thông Ψ s. Đồ thị véc tơ trong hệ trục dq cũng có thể áp dụng cho máy điện cực ẩn, nếu coi Xds = Xqs. Từ đồ thị véc tơ Hình 1.2a 14 có thể viết: I s cosψ = I qs cos δ − I ds sin δ (1-2) Công suất động cơ nhận từ lưới, cũng coi gần đúng là công suất điện từ Pd = Pdt = 3U s (I qs cosδ −I ds sin δ ) (1-3) Các thành phần dòng điện chiếu lên các trục: U d cosδ − E U s sin δ I ds = ; I qs = (1-4) Xds Xqs Thế các biểu thức (1-2) vào (1-3) ta được công suất điện từ và mômen điện từ Ud E ( Xds − Xqs ) Pdt = 3 sin δ + 3U s 2 sin 2δ (1-5) Xds 2 Xds Xqs p U d E ( Xds − Xqs ) Te = 3 sin δ + 3 Us 2 sin 2 δ (1-6) 2ω e Xds 2 Xds Xqs p ψ sψ k (Lds − Lqs ) =3 sin δ +ψ s 2 sin 2δ (1-7) 2ω e Lds 2 Lds Lqs Hình 1.
Đặc tính mômen – góc tải động cơ đồng bộ cực lồi. Mô tả toán học động cơ đồng bộ Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa, các cuộn dây stato ba pha đối xứng, các tham số động cơ không thay đổi, ta có thể dùng phương pháp biến đổi tuyến tính mô tả quá trình điện từ của động cơ trên hệ tọa độ d,q hoặc α, β tương tự như động cơ không đồng bộ. Mô tả toán học động cơ đồng bộ đơn giản hơn vì rôto quay cùng tốc độ với từ trường quay stato. Cụ thể trên hệ tọa độ d, q ta có 5 phương trình cân bằng điện áp: hai phương trình cho điện áp stato, hai phương trình cho điện áp một cuộn khởi động và một phương trình cho cuộn kích từ.
Trong đó u fr , I fr , Rfr , LLfr được quy đổi về stato d (Ký hiệu s ≡ ). dt uqs Rs + sLqs ωe Lds sLqm ωe Ldm ωe Ldm qsi −ω −ω Lqm uds Lqs Rs + sLds sLdm sLdm dsi 0 = sLdm 0 Rqr + sLqr 0 0 iqr (1-8) 0 0 sLqm 0 Rdn + sLdr sLdm idr u fr 0 sLdm 0 sLdm R fr + s( LLfr + Ldm) I fr Phương trình mômen: 3 p Te = (ψ ds iqs −ψ qs ids ) (1-9) 2 2 1 dωe Te − Tc = J (1-10) p dt Từ mô tả toán học ta có thể xây dựng giản đồ thay thế theo các trục tọa độ biểu diễn trên Hình 1. Giản đồ thay thế máy điện đồng bộ theo trục tọa độ d – q. Cũng có thể thấy rằng nếu giữ tỷ số Us /ωe là hằng số (điện áp stato luôn tỷ lệ với tần số), từ thông kích thích và góc tải không đổi thì mômen điện từ của động cơ sẽ là không đổi.
Khởi động và hãm động cơ đồng bộ kích từ quấn dây Đặc tính cơ động cơ đồng bộ trình bày trên Hình 1.4a (đường 1) ta thấy bản thân động cơ không sinh ra mômen khởi động. Do vậy bắt buộc khi chế tạo và sử dụng động cơ cần quan tâm tới vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ bằng không lên đến tốc độ đồng bộ. Biện pháp thông dụng là khi chế tạo động cơ người ta đã thiết kế phần khởi động nằm trong rôto động cơ, để trong quá độ từ tốc độ từ thông đến gần tốc độ đồng bộ nó hoạt động như động cơ không đồng bộ. Vì vậy người ta gọi là khởi động không đồng bộ ( khi động cơ làm việc ở tốc độ đồng bộ các cuộn khởi động này hết tác dụng).
Đối với phụ tải yêu cầu khởi động như máy bơm, quạt gió người ta chế tạo cuộn khởi động dạng lồng sóc. Đối với phụ tải yêu cầu khởi động nặng như máy nghiền, máy nén khí người ta chế tạo cuộn khởi động dạng dây quấn để có thể dùng biện pháp khởi động qua các cấp điện trở tạo mômen khởi động lớn. Quá trình khởi động được chia làm hai giai đoạn: - Khởi động không đồng bộ: đưa tốc độ động cơ đến tốc độ gần đồng bộ ω=0,98 ωdb - Vào đồng bộ đưa tốc độ động cơ từ 0,98ωdb đến ωdb. a) Quá trình khởi động không đồng bộ Trong giai đoạn này, ngoài việc đảm bảo mômen khởi động, ta cần giải quyết quá áp trong cuộn dây kích từ.
Khi khởi động không đồng bộ 17 thông thường cuộn dây kích từ không tham gia, nó có số vòng dây lớn hơn nhiều so với số vòng dây cuộn stato, do vậy khi độ trượt s ≈1 cuộn kích từ cảm ứng sức điện động có giá trị lớn dẫn đến phá thủng cách điện. Biện pháp làm giảm sức điện động cảm ứng thường dùng là cấp cho nó tải điện trở đủ lớn (gọi là điện trở phóng điện). Giá trị điện trở phóng điện Rfđ được chọn cơ (9 ÷ 10) lần điện trở kích từ nhằm làm giảm điện áp rơi trên cuộn kích từ chống quá áp. b) Giai đoạn vào đồng bộ Để đưa tốc độ động cơ từ ω=0,98ωdb đến ωdb ta phải tạo ra mômen vào đồng bộ, bằng cách đưa vào cuộn kích từ dòng kích từ lớn Iktmax = 1,5 ÷ 1,8 Iktmax.
Lúc này mômen động cơ là tổng hợp mômen không đồng bộ (do cuộn khởi động tạo nên) và mômen vào đồng bộ (do từ thông kích từ và dòng stato tạo nên). Nếu tốc độ động cơ được đưa đến tốc độ đồng bộ thì khởi động thành công. Khi ω=ωdb thì dòng kích từ được điều chỉnh về dòng kích từ định mức. Cuộn dây khởi động sẽ có sức điện động cảm ứng bằng không nên hết tác dụng.
Nguyên lý mạch khởi động được trình bày trên Hình 1.5b và đặc tính khởi động không đồng bộ là đường 2 (Hình 1. Tiếp điểm công tắc tơ M đóng kích từ, tiếp điểm công tắc tơ K là gia cường kích từ. Để nhận biết được thời điểm vào đồng bộ ta có thể dùng nhiều giải pháp, người ta thường dùng là đo tần số trượt hoặc tính thời gian quá độ. Hãm động cơ đồng bộ gồm hai phương pháp Hãm tái sinh (đường 1’- Hình 1.5a) và Hãm động năng (đường 3 – Hình 1.5 a) Đặc tính cơ khi khởi động và hãm b) Mạch nguyên lý khởi động 1.
Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 1. Phân loại: Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu trúc và đặc tính điều chỉnh khác nhau tùy thuộc vào công suất, tải và phạm vi điều chỉnh. Trong thực tế, động cơ đồng bộ được chế tạo ở các dải công suất: - Rất nhỏ: vài trăm W đến vài kW.