Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thực Nghiệm Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiều

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ thực nghiệm điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều phục vụ đào tạo nghề tại trường đại học lao động và xã hội.

• Tác giả: Trần Văn Tứ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Vỵ
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thực Nghiệm Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiều
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Hệ Thực Nghiệm Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiều

Nghiên cứu hệ thực nghiệm điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong sản xuất công nghiệp. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành.

1.1. Định nghĩa và vai trò của động cơ điện xoay chiều

Động cơ điện xoay chiều là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ vào tính linh hoạt và hiệu suất cao.

1.2. Lợi ích của việc điều chỉnh tốc độ động cơ

Điều chỉnh tốc độ động cơ giúp cải thiện hiệu suất làm việc, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị. Hệ thống điều chỉnh tốc độ hiện đại cho phép điều khiển chính xác và linh hoạt hơn.

II. Thách thức trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, độ chính xác và khả năng đáp ứng nhanh chóng là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ ổn định của hệ thống điều chỉnh

Độ ổn định của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ là yếu tố quan trọng. Hệ thống cần phải duy trì hiệu suất làm việc ổn định trong các điều kiện khác nhau.

2.2. Độ chính xác trong điều chỉnh tốc độ

Độ chính xác trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Việc thiết kế hệ thống điều chỉnh cần đảm bảo độ chính xác cao.

III. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều hiệu quả

Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ.

3.1. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp

Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho phép thay đổi tốc độ động cơ một cách linh hoạt. Đây là phương pháp phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển hiện đại.

3.2. Sử dụng bộ biến tần

Bộ biến tần giúp điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác và hiệu quả. Chúng cho phép điều chỉnh tần số và điện áp đầu vào, từ đó kiểm soát tốc độ động cơ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ

Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và tự động hóa. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn tiết kiệm chi phí.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Trong sản xuất công nghiệp, hệ thống điều chỉnh tốc độ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong giao thông vận tải

Hệ thống điều chỉnh tốc độ cũng được sử dụng trong các phương tiện giao thông, giúp cải thiện hiệu suất và an toàn khi vận hành.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thực nghiệm điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều không chỉ mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực tự động hóa. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ

Công nghệ điều khiển và tự động hóa sẽ tiếp tục phát triển, mang lại nhiều giải pháp mới cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong giáo dục

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong thực tiễn mà còn đóng góp vào chương trình đào tạo nghề, giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chƣơng 2 : Điều khiển hệ “ Biến tần - Động cơ xoay chiều ba pha“ Chƣơng 3 : Đánh giá hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm. Chƣơng 4: Thực trạng và chương trình đào tạo nghề Điện của Cơ sở đào tạo Sơn Tây - trường Đại học Lao động và Xã hội. Chƣơng 5: Xây dựng hệ thực hành “biến tần - động cơ xoay chiều“ Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 3 Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học và sự giúp đỡ của trường Đại học Lao động và Xã hội, trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, tập thể thầy cô giáo của Khoa Điện và khoa Sau đại học và bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo TS.

Nguyễn Văn Vỵ và tập thể thầy cô giáo của Khoa Điện và khoa Sau đại học - trường Đại học Kỹ thuật công đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn và chương trình học Cao học Thái Nguyên, ngày 20 tháng 12 năm 2013 Tác giả luận văn Trần Văn Tứ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 4 CHƢƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 5 CHƢƠNG 2 : ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha (ASM) có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau : - Điều chỉnh điện áp đặt vào dây cuốn stato; - Điều chỉnh số đôi cực từ; - Điều chỉnh điện trở phụ mạch rotor đối với loại động cơ rotor dây cuốn; - Điều chỉnh tần số f của nguồn cung cấp cho động cơ. Trong thực tế việc điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được thực hiện bởi bộ biến đổi tần số. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ truyền động Biến tần - động cơ không đồng bộ 3 pha (BĐTS – ĐCKĐB) trên hình H 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động BĐTS – ĐCKĐB Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 6 Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha thì phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số nguồn cung cấp là phương pháp điều chỉnh triệt để nhất, cho phép thay đổi cả tốc độ đồng bộ và điều chỉnh được tốc độ động cơ trong vùng trên tốc độ định mức.

Đây là phương pháp cho phép đạt được các chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ cao (điều chỉnh vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng, độ sai lệch nhỏ .1 chức năng của các khối như sau : - RI : Khối điều khiển dòng điện có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi dòng điện (mô men) và đưa ra tín hiệu điều khiển theo yêu cầu bằng những luật điều khiển phù hợp. - R : Khối điều khiển tốc độ có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi tốc độ và đưa ra tín hiệu điều khiển theo yêu cầu bằng những luật điều khiển phù hợp. - R : Khối điều khiển vị trí có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi vị trí và đưa ra tín hiệu điều khiển theo yêu cầu bằng những luật điều khiển phù hợp. - PWM : Khối biến tần có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện có tần số mong muốn cung cấp cho động cơ chấp hành.

Khối này hiện nay thường sử dụng các phần tử bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch (bộ biến tần máy điện quay ít sử dụng). - Khối chỉnh lưu: thực hiện chức năng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện một chiều để cung cấp cho khối biến tần PWM. Tùy theo loại biến tần mà có thể có hoặc không có khối này, với biến tần trực tiếp thì sẽ không có khối này. - Khối động cơ chấp hành: Khối này có thể là động cơ xoay chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ.

- βI : Khối phản hồi dòng điện thực hiện chức năng phản hồi mômen (dòng điện) của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển dòng điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 7 - α : Khối phản hồi tốc độ động cơ điện và đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển tốc độ. - θ : Khối phản hồi vị trí thực hiện chức năng nhận tín hiệu là vị trí (t) và đưa về khối điều khiển vị trí. - Máy công tác: Là các máy sản xuất hoặc các cơ cấu chấp hành cụ thể.

Để tạo ra các bộ biến tần có tần số thay đổi được người ta có thể dùng các bộ biến tần với máy điện quay hoặc dùng bộ biến tần bán dẫn. So với các bộ biến tần bán dẫn, bộ biến tần máy điện quay có nhiều nhược điểm và ngày càng ít dùng. Động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật truyền động điện do đó có ưu điểm là: đơn giản về kết cấu, gọn nhẹ dễ chế tạo, dễ sử dụng, đặc biệt động cơ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không có yêu cầu về cách điện và có thể làm việc ở cả môi trường có hoạt tính cao hoặc trong nước. Trước đây việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ gặp khó khăn khi điều khiển ở vùng tốc độ thấp.

Ngày nay động cơ không đồng bộ được điều chỉnh bằng các bộ biến tần bán dẫn đã và đang được hoàn thiện và có khả năng cạnh tranh lớp với điều khiển một chiều, nhất là ở vùng công suất truyền động lớn hoặc tốc độ thấp. Ưu điểm nổi bật của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc bằng phương pháp sử dụng bộ biến tần là : - Điều chỉnh vô cấp - Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. - Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tấn có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau. - Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng, có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 8 + Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (máy dệt, băng tải, băng chuyền,…) + Các thiết bị yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy ly tâm, máy mài,…) + Các thiết bị yêu cầu chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ cao ( các máy cắt gọt kim loại, máy gia công chính xác.) Hiện nay trên thế giới đang được lưu hành rất nhiều loại biến tần của các hãng khác nhau. Trong đó biến tần của hãng SIEMENS (Đức) là một trong những sản phẩm hàng đầu. Nó có nhiều đặc điểm ưu việt về tính năng kỹ thuật cũng như chất lượng sản phẩm. Điều khiển hệ BĐTS – ĐCKĐB Đối với hệ BĐTS – ĐCKĐB động cơ điện không đồng bộ là đối tượng cần được điều khiển (tốc độ và mô men của động cơ) để đáp ứng các yêu cầu của phụ tải.

Trong các thông số cần điều khiển thì tần số của nguồn cung cấp là thông số điều khiển rất quan trọng và cho phép đạt được chỉ tiêu điều chỉnh cao. Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều chỉnh tần số người ta sử dụng hệ thống : Bộ biến đổi tần số - Động cơ không đồng bộ (BĐTS – ĐCKĐB). Hệ thống truyền động điện BĐTS – ĐCKĐB hiện đang được sử dụng để thay thế cho các hệ truyền động điện một chiều vì hệ đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ thuật, nhưng có hiệu quả kinh tế cao hơn hệ truyền động một chiều. Điều khiển hệ BĐTS - ĐCKĐB có 03 phương pháp chủ yếu sau : - Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control).

- Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) - Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control) 2. Điều khiển vô hướng Thực chất của phương pháp điều khiển vô hướng (U/f bằng hằng số) là giữ cho từ thông stator (ψs) không đổi trong suốt quá trình điều chỉnh. Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽ được sử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 9 dụng hiệu quả nhất, tức là có khả năng sinh mômen lớn nhất. Do những ưu điểm sẵn có của động cơ không đồng bộ mà các hệ truyền động của chúng cũng thừa hưởng tính kinh tế và tính chắc chắn.

Phương pháp này dễ thực hiện tuy vậy vẫn còn tồn tại nhược điểm: tổn thất công suất P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng (Q) không phải là nhỏ nhất, ổn định tốc độ gặp khó khăn, mặc dù hệ truyền động đơn giản nhưng có hạn chế về độ chính xác tốc độ và đáp ứng mômen kém. Hệ truyền động không thể đảm bảo điều khiển được các đáp ứng về mômen và từ thông. Cho nên, điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu không cao về điều chỉnh sâu tốc độ. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động theo phương pháp điều khiển vô hướng được biểu diễn trên hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: A B C Đặt tần số ra NL CL ĐTS f Udc C Driver NL Sa,Sb,Sc PWM U NL ĐCA THĐ - SI I ia BĐD XL ib TG ASM Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển vô hƣớng hệ BĐTS - ĐCKĐB Phần lực gồm: CL là khối chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều cấp cho khối nghịch lưu; NL là khối nghịch lưu thường dùng các khoá đóng cắt IGBT, thực hiện biến đổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 10 điện áp một chiều Udc ở đầu ra khối CL thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ASM là động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc; C là tụ lọc.