Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
o 1
o
2 n 2 f
60 p
ω =
π π
=
(1-5)
f
1
- tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ ω
o
là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.
Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều
với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:
o
2 1
np(n
f
6
)
s
0
f
−
= =
(1-6)
2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
2.1. Phương trình đặc tính cơ
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba
pha của động cơ 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 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 1-2
Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
SVTH: Vũ Quang Trình
5
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Trong đó:
U
1
– trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
I
µ
, I
1
, I
’
2
– dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về
stato (A)
X
µ
, X
1
, X
’
2
– điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã
quy đổi về stato (Ω)
R
µ
, R
1
, R
’
2
– điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy
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:
'
'
2
1 2
2
2
o 1 nm
3U
M
R
s R X
s
R
,[Nm]=
ω +
÷
+
(1-7)
Trong đó:
X
nm
– điện kháng ngắn mạch, X
nm
= X
1
+ X
’
2
2.2. Đường đặc tính cơ
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị
của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường
đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
SVTH: Vũ Quang Trình
6
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-3: 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:
dM
0
ds
=
(1-8)
Giải phương trình ta có:
2
th
2 2
1 nm
'
R
R
s
X+
±=
(1-9)
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
2
1
th
2 2
o 1 1 nm
3U
M
2 (R R X )+ω ±
=
(1-10)
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s
th
và
M
th
của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
SVTH: Vũ Quang Trình
7
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB 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 momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên
đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với 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 momen
mở máy:
2
1 2
mm
2 2
o 1 2
'
nm
'
R
R )
3U
X
M
(R
=
ω +
+
(1-11)
Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( M
c
= 0 ) và tốc độ đồng bộ:
1
o
2 f
p
ω =
π
(1-12)
3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f
1
đến đặc tính cơ:
Khi thay đổi f
1
thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω
o
thay đổi, đồng thời X
1
, X
2
cũng bị
thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s
th
và momen tới
hạn M
th
.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s
th
= f(f
1
) và momen tới hạn theo tần số M
th
=
f(f
1
) là phức tạp nhưng vì ω
o
và X
1
phụ thuộc tỷ lệ với tần số f
1
nên có thể từ các biểu
thức của s
th
và M
th
rút ra:
SVTH: Vũ Quang Trình
8
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
th
1
th
2
1
s
1
1
f
M
f
:
:
(1-13)
Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s
th
và momen tới hạn M
th
đều tăng nhưng M
th
tăng nhanh hơn.
Khi giảm tần số f
1
xuống dưới tần số định mức f
1dm
thì tổng trở của các cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng
mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời
giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:
1
1
u
const
f
=
(1-14)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1
< f
1dm
. Ở vùng f
1
> f
1dm
thì không thể tăng
điện áp nguồn mà giữ U
1
= U
1dm
nên ở vùng này M
th
sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình
phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
f c/ tU ons=
để
giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.
Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn
SVTH: Vũ Quang Trình
9
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với thay
đổi điện áp
4. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết
bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị
điện dân dụng… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi
các hệ thống truyền động điện.
Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được.
Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không
đổi. Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các
quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc
độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh
mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử
dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu
trong quá trình tự động hóa.
SVTH: Vũ Quang Trình
10
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc
chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại
hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng
bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài
chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được
dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công
cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm
hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng
bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ
trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất
điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày
càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một
chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số
của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất
phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiều đòi
hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay
chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều
làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước
đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém.
5. Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế
nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ
một chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một
máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển
SVTH: Vũ Quang Trình
11
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc
lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc
giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).
Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ
thông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện
xoay chiều giống như máy điện một chiều. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán
dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều
khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở
thành một tiêu chuẩn công nghiệp.
Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cải
tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt
yếu là tăng độ tin cậy, giảm khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo
dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy, những hệ
truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyền
động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính để sử dụng rộng
rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen
cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì
động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn. Trong khi đó, các ứng
dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với
các mạch điều khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được sự
đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòi hỏi một khối
lượng tính toán trong một thời gian ngắn.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý
thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển
vector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì
giá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).
SVTH: Vũ Quang Trình
12
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý khác
chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic ) vào
điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền động.
Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ truyền
động xoay chiều trong một tương lai gần. Triển vọng ứng dụng rộng rãi của hai kỹ
thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn ( Semiconductor
Microprocessor ).
Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết
điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời. Đó là lý
thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC )
do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80. Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn
chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.
CHƯƠNG 2
CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA
1. Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi
trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp,
một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả. Hầu hết thời gian
momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.
Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn. Điều này làm tổn
thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có thể
làm hỏng lớp cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh
hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
SVTH: Vũ Quang Trình
13
Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu
như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng
0,1. Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu
như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải. Vì vậy khi tải
tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1,
dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng
công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ.
Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng
suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các
phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác
dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như
quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, công
suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ
thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ
động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào. Mà điều này là không thể thực
hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong
động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong
động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng.
Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính
chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng
đến các vòng đồng của roto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu
không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ.
SVTH: Vũ Quang Trình
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét