Đồ án thiết kế khởi động mềm xoay chiều 3 pha cho động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHỞIĐỘNG MỀM 1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha -Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theonguyên lý cảm ứng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHỞI

ĐỘNG MỀM 1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha

-Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện xoay chiều,làm việc theonguyên lý cảm ứng điện từ.Có tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trườngquay trong máy

- Động cơ không đồng bộ ba pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinhhoạt vì chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suấtcao,dải công suất rất rộng từ vài wat tới 10000 hp.Các động cơ từ 5hp trở lênhầu hết là 3 pha,còn nhỏ hơn 1hp thường là 1 pha (1hp= 0,736 kW )

Gồm có vỏ,lõi thép,dây quấn

-Vỏ máy:Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stator,vỏ có

trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn.Các máy có công suất bé thì thường là vỏbằng nhôm,còn các máy có công suất trung bình và lớn thường làm bằng gang -Lõi thép:Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kĩ thuật điệnvới nhau(nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng.Mặt trong của các

lá thép được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây stator

-Dây quấn stator:Được quấn thành từng các mô bin,mà các cạnh của môbin đó được đặt vào lõi thép stator.Các mô bin được cách điện nhau và cách điệnvới lõi thép

b/Rotor

Gồm có lõi thép,trục máy và dây quấn

-Lõi thép roto cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình tròn

và mặt ngoài của các lá thép đó được dập thành các rãnh để đặt cuộn dây,còn ởgiữa được dập lỗ tròn để lồng trục máy.Các lá thép nói trên được ghép lại vớinhau thành một trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy,mặt ngoài của trụ là cá rãnh

để đặt dây quấn rotor.Thường các lá thép rotor được tận dụng phần bên trongcác lá thép của stator

-Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rotor.Trụcđược đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy

-Dây quấn rotor có hai loại:loại rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn +Loại rotor kiểu lồng sóc:Dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồngthau hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch

ở hai đầu.Với động cơ nhỏ dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanhdẫn,vành ngắn mạch,cánh tản hiệt và cánh quạt làm mát.Các động cơ trên100kw thanh dẫn làm bằng đồng và được đặt vào các rãnh rotor và được gắnchặt vào vành ngắn mạch

+Loại rotor dây quấn:cũng được quấn thành từng các mô bin như dây quấnstator và có cùng số cực từ dây quấn stator.Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao

và có ba đấu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor và cách điện vớitrục.Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này để dẫn điện

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

-Khi có dòng ba pha chạy trong dây quấn stator thì trong khe hở không khíxuất hiện từ trường quy với tốc độ n1=60f/p(f là tần số lưới điện,p là số cặpcực).Từ trường quay này sẽ quét lên dây quấn,nhiều pha tự ngắn mạch nên trongdây quấn stator xuất hiện dòng I2 chạy qua.Từ thông do dòng điện này sinh rahợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở.Dòng điện trongdây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng khe khí tạo ra momen quay làm quayrotor

1.2 Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ

Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việcthường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chất của tải và tình

Hình1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của

động cơ không đồng bộ

có khi cần cả hai Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mởmáy thích ứng.

Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơđiện có tính năg mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.Ví dụ nhưđộng cơ không đồng bộ rotor lồng sóc công suất lớn nếu ta mở máy trực tiếp sẽlàm nứt rotor Dẫn đến khởi động không tải thì được nhưng khi đóng tải vào thìmáy lại không chạy

Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau:

1 Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ bản của tải

2 Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

3 Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

4 Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt

Những yêu cầ trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi mômen mởmáy lớn thì dòng điện mở máy cũng lớn hoặc thiết bị mở máy đắt tiền Vì vậyphải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thíchhợp

1.2.1 Phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy

Sơ đồ nối dây như hình 1 Bên cao áp nối với lưới điện, bên hạ áp nối vớiđộng cơ điện Sau khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu (bằng cáchđóng tiếp điểm K2 vào và mở K1 ra)

Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là kT (kT < 1) thì:

- Điện áp đầu cực động cơ : U’

k MK

Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I1 (dòng điện bên sơ cấp máy biến áp

tự ngẫu) thì dòng điện I1 = kT.I’

K = 2 T

- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu.

- Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp dùng cuộn

kháng thì ta có mômen máy lớn hơn

- Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp,cao áp.

Nhược điểm;

- Mômen mở máy giảm

- Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu

1.2.2 Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato

Sơ đồ nối dây như hình 2 Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếpmột điện kháng Sau khi mở máy xong bằng cách đóng tiếp điểm K1 của công

Điều chỉnh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết

Do có điện áp giáng trên điện kháng nên diện áp mở máy trên đầu cực động cơ

U’

K sẽ nhỏ hơn điện áp lưới Gọi dòng điện mở máy và mômen khi mở máy trựctiếp là IK và MK Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điệnvẫn giữ không đổi thì sau khi thêm điện kháng vào:

Dòng điện mở máy còn lại là : I’

- Thiết bị khởi động đơn giản

- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu

- Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao áp.

Nhược điểm:

- Khi giảm dòng điện khởi động xuống thì mômen mở máy giảm đi bìnhphương lần

1.2.3 Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - 

Phương pháp mở máy Y -  thích ứng với

những máy khi làm việc bình thường đấu tam

giác Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện

áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có U1/ 3 Sau

khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu  Sơ đồ

cách đấu dây như hình 3 Khi mở máy thì đóng

ATM, tiếp điểm KY đóng, còn tiếp điểm K mở, như vậy máy đấu Y Khi máy

đã chạy rồi thì đóng tiếp điểm K, máy đấu 

Theo phương pháp Y -  thì khi dây quấn đấu Y thì ta có:

- Điện áp pha trên dây quấn là : Ukf = U1

31

- Dòng điện pha khi mở máy là : 'kf Ikf

- Điện áp pha trên dây quấn là : Ukf = U1

- Dòng điện pha khi mở máy là : I k 3I.kf

Như vậy khi mở máy đấu Y thì:

- Dòng điện pha khi mở máy là : I1 = 'kf kf Ik

3

1I3

tỷ số biến đổi điện áp kT = 13

- Không dùng cho động cơ Y/ = 220/380

Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu

1.2.4 Khởi động động cơ sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha

Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 4 Ứng với các góc

mở  khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảmnhỏ khác nhau

Hình 5: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều

Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 4 Ứng với các góc

mở  khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ giảmnhỏ khác nhau

- Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng

1.3 Tổng quan về công nghệ khởi động mềm

1.3.1 Giới thiệu chung về công nghệ khởi động mềm

Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng

có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởiđộng lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộđiều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng

mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn

ĐC RLN

ATM

Thyristor

U L

nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ Ngoài việctránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổnđịnh hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới.

- Sử dụng phương pháp Biến tần.

- Sử dụng phương pháp Điều áp xoay chiều

+ Ưu điểm: Thiết bị điều khiển nhỏ gọn Khả năng đáp ứng nhanh Đặc

tính điều chỉnh trơn Dễ đồng bộ hóa với việc điều khiển toàn hệ thống Phù hợpvới nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp Có thể thực hiện việc dừng mềmkhi có nhu cầu Với giá thành hiện nay, chi phí lắp hệ thống khởi động mềmcũng không cao Sử dụng được cho những động cơ công suất lớn

+ Nhược điểm: Dạng điện áp và dòng điện qua điều khiển cấp cho tải sẽ

không còn là hình sin trong dải điều chỉnh Do mạch điều khiển phức tạp nênngười vận hành cần phải có một trình độ hiểu biết nhất định Việc kiểm tra bảotrì phức tạp hơn

- Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ởđầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áptăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức Đó là quá trìnhkhởi động mềm (ramp) Toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mởthyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ khôngđổi theo tần số điện áp lưới Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giảipháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng độtngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải Có chức năng bảo

vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha

Những đặc điểm khác:

- Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt

- Có chức năng điều khiển và bảo vệ

- Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz

- Có phần mềm chuyên dụng đi kèm

1.3.2 Phạm vi ứng dụng

- Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu

- Động cơ bơm

- Động cơ vân hành non tải lâu dài

- Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải )

- Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt …

áp là thay đổi

Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừngtại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn

Giải thích:

IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp

IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp

In – Dòng điện định mức của động cơ.

Us – Điện áp bắt đầu ramp

Un – Điện áp định mức của động cơ

tr - Thời gian ramp

Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ

từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ Nếu trong quá trình dừng mà có lệnhkhởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi độngtrở lại

d Tiết kiệm năng lượng khi non tải

Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải, trong trường hợp này khởiđộng mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0,việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng

và tổn hao sắt %

CHƯƠNG 2 : TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT

2.1 Tính chọn mạch công suất

2.1.1 Mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha tải hình sao có dây trung tính

HÌNH 2.1 : Sơ đồ mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha tải hình sao có

dây trung tính

- Ưu điểm là : sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch phatheo điện áp lưới, do đó điện áp trên các pvan bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặtvào van bán dẫn là điện áp pha

- Nhược điểm của sơ đồ là: trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hòabậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối nàychỉ thích hợp với loại tải 3 pha có bốn đầu dây ra

2.1.2: Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều 3 pha (dùng Tiristor+Diot) đấu nối sao không dây trung tính tải đấu sao không dây trung tính

HÌNH 2.2 : Sơ đồ mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều 3 pha (dùngTiristor+Diot) đấu nối sao không dây trung tính tải đấu sao không dây trung tính

+Hình dáng và giá tri hiệu dụng của điện áp tải ở mỗi pha phụ thuộc vào thông

số mạch tải và góc mở .Các thyristor được điều khiển mở theo trình tự1,3,5,1,3,5…

+Khi tải 3 pha đối xứng thì điện áp tải,dòng điện tải thì điện áp tải,dòngđiện tải ở các pha có dạng như nhau,lệch nhau 2p/3.Do đó ta xét dòng điện tảipha a

Giả thiết điện áp nguồn 3 pha đối xứng:

Tiristo T1 được mồi ở α = q ,còn T3 ở α = q +2π/3 và T5 ở α = q +4π/3

Ba dòng điện ia , ib, ic giống nhau ở một phần ba chu kỳ, nhưng ở nửachu kỳ âm khác nửa chu kỳ dương,do vậy điện áp trên tải pha A, pha B, pha C

và của các Tiristo T1 ,T3, T5 là khac nhau vì có diot nên không có giá tri âm

+Nếu tải thuần trở có ba chế độ làm việc liên tiếp sau đây khi α đi từ

0 đến 7π/6

Khi 0 < α < π/2: ba hoặc hai van dẫn

Đồ thị với α = 45 Khi π/2 < α < 2π/3: ba ,hai hoặc không có van dẫn

Đồ thị với α = 105 Khi 2π/3 < α < 7π/6 : Hai hoặc không có van dẫn

2.1.3 Mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều tải ba pha tam giác

Hình 2.3 : sơ đồ mạch điều chỉnh xung áp xoay chiều tải ba pha tam giác

- Ưu điểm : Ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cáchghép

- Nhược điểm : ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thờiphải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc Việc cấp xungđiều khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả việcđổi thức tự pha nguồn lưới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động

2.2 Chọn mạch công suất

Từ những phân tích ưu,nhược điểm trên ta thấy bộ điều áp 3 pha nối saokhông dây trung tính có sơ đồ lắp giáp đơn giản,phù hợp với yêu cầu đồ án củatôi đặt ra nên tôi chọn bộ điều áp này để thiết kế bộ khởi động mềm cho động cơkhông đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

2.3 Thiết kế mạch lực

2.3.1 Tính toán chọn van bán dẫn công suất

Từ đồ thị điện áp của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha ta sẽ tính được

điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor và Diot và dòng trung bình qua chúng Việc tính chọn Tiristor và Diot sẽ dựa vào các thông số Ungmax và Itb.

Theo đề bài động cơ 3 pha mà ta cần điều khiển có các thông số sau:

P = 30 KW

U=380V

Do đó dòng điện của van cần chọn là:

Iv = 86,31(A)

Tiristo và diot mắc vào lưới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạchcủa Tiristo và diot không ảnh hưởng lớn đến việc chọn

Từ các thông số trên ta lựa chọn loại tiristo và diot sau:

+Diot : Ta chọn van h100-100 có thông số sau:

Dòng điện trung bình cho phép: Itb = 100 (A)

Điện áp định mức cho phép: Udm = 100  1000 (V)

Điện áp rơi trên van : ∆U = 1,2 (V)

Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 1500 (A)

Dòng điện thử cực đại: Ith = 314 (A)

+Tiristo: Ta chọn van T 130N có thông số sau:

Dòng điện trung bình lớn nhất: Itb = 130 (A)

Điện áp ngược lớn nhất : Ungmax = 1200 (V)

Góc dẫn van : 180 độ

Điện áp điều khiển : Udk = 1,4 (V)

Dòng điện điều khiển: Idk = 250 (mA)

Sụt áp thuận trên van: ∆U = 1.96 (V)

Điện áp ngưỡng U0 = 1,08 (V)

2.3.2 Tính chọn các phần tử bảo vệ

.Bảo vệ quá nhiệt cho van

Khi làm việc, dòng chạy qua van có sự sụt áp, do đó có tổn hao công suất

P, sinh ra nhiệt đốt nóng các van bán dẫn Mặt khác các van chỉ làm việc dướinhiệt độ cho phép nào đó Tcp Nếu vượt quá nhiệt độ cho phép thì van sẽ bị pháhỏng Vậy để van làm việc an toàn thì ta phải thiết kế và chọn hệ thống toả nhiệthợp lý

- Tổn thất cụng suất trên một Tiristor:

PT = UT.Ilv = 1,4x86,31 = 120,834 (W)

- Tổn thất cụng suất trờn một Diôd:

PD = UD.Ilv = 0,85x86,31 = 73,36 (W)

  = 1000 - 400C = 600C

km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, theo TL1 chọn km = 16 (w/m2.0C)

Vậy ta chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh:

a x b = 12 x 12 Tổng diện tích cánh toả nhiệt:

S = 12x2x12 x 12 = 3456 (Cm2) = 0,3456 (m2)

Bảo vệ quá dòng cho van

Trong quá trình hoạt động và làm việc ta phải sửa chữa và bảo dưỡngmạch động lực cũng như mạch điều khiển do vậy trong mạch còn có thêm cácthiết bị bảo vệ như: aptomat, cầu chì, cầu dao

Như ta đã biết dòng điện tải: It =60,42(A )

Ta chọn aptomat có thông số và trị số như sau: