Bài giảng Truyền động điện - Lê Trương Huy

công suất định mức Pđm (kW), tốc độ nđm (vòng/phút), tốc độ từ = Mth / M trường quay 1 , hệ số momen tới hạn  đm , ta có: Momen tới hạn Mth của động cơ: Mth =  Mđm (2.70) Việc xác định sth có thể tiến hành giải phương trình đặc tính cơ tại điểm định mức: 47 2M M m = th đ s s đm  th sth sđm s s 2M  đm th th 2  sth sđm Mđm 2 2  sth - 2 sđm . sth + sđm = 0 2  sth = sđm    1 (2.71) Sau đó thay Mth và sth vào (2.68), ta được phương trình đặc tính cơ tự nhiên. Cho s biến thiên từ s = 0 đến s = 1 ta xác định được các giá trị tương ứng của momen M. Từ các cặp giá trị s và M ta sẽ vẽ được đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ. 2.3.4. Các đặc tính nhân tạo Viết lại phương trình đặc tính cơ (2.64) với 1 2  f / p , ta được: 3U2 R ' / s M  1 2 (2.72) 2 ' 2  2 f R 2  ' RXX1   1  2  p s      Từ phương trình (2.72), ta thấy có thể tạo ra các đặc tính nhân tạo cho động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi một trong bảy thông số sau: - Điện áp stato U1 - Tần số dòng điện stato f. - Số đôi cực từ p - Điện trở mạch rôto R2 - Điện trở mạch stato R1 - Điện kháng mạch stato X1 - Điện kháng mạch stato X2 48 Phương pháp thay đổi X2 không có hiệu quả vì tần số dòng điện rô to rất nhỏ nên người ta không sử dụng. Các phương pháp còn lại đều được áp dụng để tạo ra các đặc tính nhân tạo khi điều chỉnh tốc độ hoặc điều khiển các quá trình khởi động, các quá trình quá độ của động cơ. Sau đây ta xét các họ đặc tính cơ nhân tạo. a) Họ đặc tính khi thay đổi R2 Để thay đổi điện trở mạch rôto, ta phải nối thêm điện trở phụ Rf vào ba pha như sơ đồ hình 2.21. Khi thay đổi R2 , tốc độ đồng bộ 1 và momen tới hạn được giữ không đổi, còn hệ số trượt tới hạn thì phụ thuộc tỷ lệ thuận với điện trở tổng trong mạch rôto. 1 = const Mth = Mth.tn = const RR2 f sth = sth.tn R2  tn (Rf = 0) 1 I s Rf1 thtn sthnt1 Rf2 sthnt2 Rf 0 Mth M a) b) Hình 2.21. Sơ đồ đấu dây (a) và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở mạch rôto (b) của động cơ không đồng bộ. Thực tế người ta ứng dụng họ đặc tính này để khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ rôto dây quấn. 49 Ví dụ 2.3: Cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có các số liệu sau: - Công suất định mức Pđm = 850kW - Tốc độ từ trường quay n1 = 600 (vòng/phút) - Tốc độ định mức của động cơ nđm = 588 (vòng/phút) - Hệ số momen tới hạn  = 2,15 - Điện trở dây quấn rôto r2 = 0,0295 a) Thành lập phương trình đặc tính cơ tự nhiên. b) Thành lập phương trình đặc tính cơ nhân tạo khi nối thêm điện trở phụ Rf = 0,175  vào mỗi pha của rôto. Giải n n 600 588 s1 ñm  0,02 a) Độ trượt định mức: ñm n  600  1 P 850.1000 M Mñm 2,15 29681 Momen tới hạn: th  ñm   588 / 9,55  (Nm) ñm Độ trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên: s n2 1 0,02 2,15 2,15 2 1 0,08 th ñm          2M 59362 M th Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: s s  s 0,08 th s s 0,08 s th b) Khi nối thêm điện trở phụ Rf = 0,175 vào mỗi pha của rôto. Momen tới hạn nhân tạo: Mth.nt = Mth = 29681 (Nm) r2 R f 0,0295  0,175 Độ trượt tới hạn nhân tạo: sth.nt s th  0,08  0,55 r2 0,0295 2M 59362 M th.nt Phương trình đặc tính cơ nhân tạo: s s  s 0,55 th.nt s s 0,55 s th.nt 50 b) Họ đặc tính khi thay đổi điện áp sato Khi giảm điện áp stato, tốc độ đồng bộ 1 và hệ số trượt tới hạn sth của động cơ không đổi, còn momen tới hạn sẽ giảm bình phương lần so với mức giảm điện áp. 1 = const sth = sth.tn = const 2 U1  Mth = Mth.tn   Uđm   1 U2 Uđm > U1 > U2 U1 s th Mc1 0 Mth2 Mth1 Mthtn M Hình 2.22. Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện áp stato của động cơ không đồng bộ Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi U1 có dạng như trên hình 2.22. Người ta ứng dụng họ đặc tính này chủ yếu để khởi động động cơ và một số trường hợp để điều chỉnh tốc độ. c) Họ đặc tính khi thay đổi điện trở và điện kháng stato Ảnh hưởng của R1 và X1 đến dạng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ gần giống nhau. Để thay đổi các thông số này ta phải nối thêm một điện trở phụ hoặc một điện kháng phụ vào ba pha của động cơ như ở hình 2.23. 51 Do sự tăng điện trở hoặc điện kháng của mạch stato (R1 + R1f hoặc X1 + X1f ) nên hệ số trượt tới hạn và momen tới hạn đều giảm, còn tốc độ đồng bộ thì không đổi. Họ đặc tính nhân tạo của hai phương pháp này có dạng như trên hình 2.23. Thực tế thường gặp các đặc tính này khi khởi động động cơ rôto lồng sóc.  s 1 R1f s (X1f) R tn 1f X1f s thtn a) 0 Mnmnt Mnmtn M b) Hình 2.23. Sơ đồ nối điện trở hoặc điện kháng phụ stato (a) và đặc tính cơ nhân tạo tương ứng (b) của động cơ không đồng bộ. d) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực p Người ta chế tạo hai loại động cơ có khả năng thay đổi số đôi cực từ: loại có hai bộ dây quấn stato riêng biệt, mỗi bộ có một số đôi cực p độc lập và loại có một bộ dây quấn nhưng mỗi pha đều chia ra hai phân đoạn, khi đổi nối các phân đoạn đó theo những nguyên tắc nhất định ta nhận được các số đôi cực khác nhau. 2 f Vì   1 p và   1(1  s) 52 Nếu thay đổi số đôi cực p thì 1 thay đổi, do đó tốc độ động cơ cũng thay đổi. Còn sth không phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên. Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stato động cơ nên một số thông số như U1 , R1 , X1 có thể thay đổi và do đó tùy từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến momen tới hạn Mth của động cơ. Hình 2.24 biểu diễn đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực với p2 = p1/2 và Mth = const.  p2  11 p1 12 0 Mth M Hình 2.24. Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực với p2 = p1/2 và Mth = const e) Họ đặc tính nhân tạo khi thay đổi tần số f Khi thay đổi tần số dòng điện stato, tốc độ từ trường quay thay đổi theo, nên các đặc tính nhân tạo cũng tương tự như khi thay đổi số đôi cực từ. Tuy nhiên, so với đường đặc tính tự nhiên có fđm = 50Hz, thì các đặc tính nhân tạo có thể thấp hơn (nếu f fđm). Biểu thức (2.66) cho thấy momen tới hạn phụ thuộc cả tần số và điện áp. Ta có thể viết gọn biểu thức (2.66) thành: U2 MA 1 (2.73) th f 2 (A – hệ số tỷ lệ). 53 Do đó khi thay đổi tần số f, người ta thường thay đổi cả điện áp U1 theo những quy luật nhất định để đảm bảo cho động cơ làm việc ở chế độ tốt nhất. Trên hình (2.25) là họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số, trong đó ở vùng f < fđm ta điều chỉnh theo quy luật U/f = const để giữ Mth = const, còn ở vùng f > fđm ta điều chỉnh điện áp theo quy luật U/ f = const để cho động cơ không bị quá tải về công suất.  f11 < f1đm   11 1   1đm đm f1đm   12 2 f12 < f1đm 0 Mđm M Hình 2.25. Họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi tần số của động cơ không đồng bộ 2.3.5. Các trạng thái hãm Tương tự như động cơ điện một chiều kích từ độc lập, động cơ không đồng bộ cũng có ba trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. Điều kiện để cho động cơ làm việc ở trạng thái này và công dụng thức tế của chúng cũng giống như đã trình bày đối với động cơ một chiều kích từ độc lập. Ở đây cần chú ý thêm cách nối mạch để thực hiện hãm và dạng các đặc tính cơ khi hãm. a) Hãm tái sinh Hãm tái sinh động cơ không đồng bộ xảy ra khi tốc độ rôto lớn hơn tốc độ từ trường quay (  > 1 ), lúc đó động cơ làm việc như một máy phát điện xoay chiều song song với lưới, biến cơ năng từ trục thành điện năng trả về lưới. 54   11 a b s  12 b’ s a’ 13 s  14 s 0 Mc M Hình 2.31. Đặc tính cơ hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách thay đổi tần số Trên hình 2.31 đoạn đặc tính hãm tái sinh là b 12 , b’ 13 ... ở đó   12 hoặc   13 .  1 a 0 0 M - 1 b 0 Hình 2.32. Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ với tải thế năng Với những động cơ không đồng bộ được sử dụng trong hệ truyền động có tải là thế năng, có thể thực hiện hãm tái sinh hạ tải trọng với tốc độ   1 . 55 Trên hình 1b là đoạn hãm tái sinh khi hạ tải. Ứng với đường đặc tính cơ này, từ trường quay đã đổi chiều bằng cách đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stato. b) Hãm ngược Tương tự như với động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của động cơ không đồng bộ có hai trường hợp: - Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đóng vào rôto một điện trở đủ lớn, với tải thế năng động cơ sẽ làm việc ổn định tại điểm e (hình 2.33). Đoạn de là đặc tính hãm ngược. - Hãm ngược xảy ra khi động cơ đang làm việc, ta đổi thứ tự 2 trong 3 pha điện áp đặt vào stato, động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính hãm ngược bd hoặc b'd'. Nếu tải có tính phản kháng hệ thống sẽ làm việc tại điểm e hoặc e'.  1 b a 0 0 d Mc M e Hình 2.33. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm ngược với tải thế năng Chú ý rằng trong hai trường hợp hãm ngược vì:    s1  1 1 56 nên dòng điện rôto có giá trị lớn. Mặt khác vì tần số dòng điện rôto f2 = sf1 lớn, nên ' điện kháng X2 đủ lớn, do đó momen nhỏ. Vì vậy để tăng cường momen hãm và hạn chế dòng điện rôto ta cần đưa thêm điện trở phụ đủ lớn vào mạch rôto (đối với động cơ rôto dây quấn). Điện trở phụ này có thể xác định ứng với dòng điện hãm ban đầu tại b’ trên hình 2.34.   b’ b 1 a 0 d d’ 0 Mc M e’ -  e 1 0 Hình 2.34. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi hãm ngược bằng cách đảo chiều từ trường quay c) Hãm động năng Trạng thái hãm động năng động cơ xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato động cơ ra khỏi nguồn điện xoay chiều, rồi đóng vào nguồn một chiều. Người ta chia hãm động năng của động cơ không đồng bộ thành hai dạng: Hãm động năng kích từ độc lập và tự kích. Hãm động năng kích từ độc lập thực hiện theo sơ đồ nguyên lý hình 2.35a với nguồn một chiều được lấy từ bên ngoài, không liên quan đến năng lượng do động cơ tạo ra. Đối với hãm động năng tự kích, nguồn một chiều được tạo ra từ năng lượng mà động cơ tích lũy được. Sơ đồ nguyên lý loại này thể hiện trên hình 2.35b,c. 57 H C C C C H K + _ Imc b) H Rf a) K Đ K Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hãm động năng của động cơ không đồng bộ a) Hãm động năng kích từ độc lập b) Hãm động năng tự kích dùng tụ điện c) Hãm động năng tự kích từ mạch rôto c) 58 Khi cắt stato khỏi nguồn xoay chiều rồi đóng vào nguồn một chiều thì dòng một chiều này sinh ra một từ trường đứng yên so với stato, giả sử từ thông  có chiều như mũi tên trên hình 2.36. Rôto động cơ theo quán tính vẫn quay theo chiều cũ thể hiện như hình vẽ và các thanh dẫn rôto sẽ cắt từ trường đứng yên nên xuất hiện trong nó một sức điện động cảm ứng e2 . Xác định chiều của e2 theo quy tắc bàn tay phải và ứng với ký hiệu dấu “+” khi sức điện động có chiều đi vào và ký hiệu dấu “.” , khi sức điện động có chiều đi ra. Vì rôto kín mạch nên e2 lại sinh ra dòng i2 cùng chiều. Tương tác giữa dòng điện i2 và từ trường đứng yên tạo nên sức từ động F có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. Lực F sinh ra momen hãm có chiều ngược với chiều quay của rôto làm cho rôto quay chậm lại và sức điện động e2 cũng giảm dần.  F  + + Mh e2 + + i2 F Hình 2.36. Nguyên lý tạo momen hãm động năng của động cơ không đồng bộ Trong hãm động năng kích từ độc lập, từ thông  có giá trị không đổi còn ở hãm động năng tự kích thì  có giá trị biến đổi. Khi hãm động năng, động cơ không đồng bộ làm việc như một máy phát điện đồng bộ cức từ ẩn có tốc độ và tần số thay đổi, và phụ tải của máy phát này là điện trở mạch rôto. 59 BÀI TẬP TỰ GIẢI 2.1. Động cơ một chiều kích từ độc lập công suất định mức Pđm = 16kW, điện áp cung cấp cho phần ứng Uđm = 220V, tốc độ định mức nđm = 1000 (vòng/phút), dòng điện định mức Iđm = 70A, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,28  , điện trở phụ trong mạch phần ứng Rf = 0,52  Xác định tốc độ động cơ biết động cơ làm việc trên đặc tính nhân tạo khi có Rf với momen cản Mc = 0,6Mđm . 2.2. Động cơ một chiều kích từ độc lập công suất định mức Pđm = 6,5 kW, điện áp cung cấp cho phần ứng Uđm = 220V, tốc độ định mức nđm = 1500 (vòng/phút), dòng điện định mức Iđm = 34,4A, điện trở mạch phần ứng Rư = 0,24 Động cơ đang làm việc trên đường đặc tính tự nhiên với Mc = Mđm. Xác định giá trị điện trở phụ Rf thêm vào phần ứng động cơ để tốc độ động cơ không đổi khi từ 0,7 thông động cơ giảm   ñm . 2.3. Cho động cơ không đồng bộ 3 pha công suất định mức: Pđm = 60 kW, tốc độ định mức: nđm = 720 vòng/phút, tần số dòng điện stato: f = 50Hz, số cực 2p = 8, hệ số momen tới hạn  = Mth / Mđm = 2,2. Hãy xác định: a / Momen mở máy của động cơ khi động cơ mở máy trực tiếp. b/ Tốc độ của động cơ khi động cơ làm việc trên đặc tính tự nhiên với momen cản Mc = 0,8Mđm . 60 Chương 3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Điều chỉnh tốc độ điện là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng các phương pháp thuần túy điện, tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độ của trục động cơ điện. Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ làm việc của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Trong các hệ truyền động điện tự động thường dùng các phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định hệ thống truyền động điện. 3.1. Các chỉ tiêu điều chỉnh cơ bản 3.1.1. Sai số tốc độ Sai số tốc độ tĩnh là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và thường được tính theo phần trăm: ñ    o    * s% 100%  100%  100%   % (3.1) ñ  o  o Trong đó: ñ - tốc độ đặt - tốc độ làm việc thực Sai số này càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác, và lý tưởng ta có hệ điều chỉnh tuyệt đối chính xác khi s% = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, chẳng hạn truyền động chính của máy cắt kim loại yêu cầu s%  10%, truyền động ăn dao s%  5%... 61 3.1.2. Độ tinh điều chỉnh tốc độ Độ trơn điều chỉnh tốc độ được định nghĩa:    i 1 (3.2) i Trong đó: i - tốc độ ổn định ở cấp thứ i i 1 - tốc độ ổn định ở cấp thứ kế tiếp (i+1) Từ chỉ tiêu độ tinh tốc độ điều chỉnh, ta có thể phân loại: - Hệ điều chỉnh vô cấp nếu  1, tức hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh. - Hệ điều chỉnh có cấp, khi nó chỉ làm việc ổn định ở một số giá trị trong suốt dải điều chỉnh. 3.1.3. Dải điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với momen tải đã cho:  D  max (3.3) min Giá trị tốc độ max bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động cơ một chiều nó còn bị hạn chế bới khả năng chuyển mạch của vành góp. Tốc độ nhỏ nhất min bị chặn bởi yêu cầu về momen khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. Để minh họa, ta xét ví dụ 3.1. Giả thiết các đặc tính cơ là tuyến tính, có độ cứng không đổi 1 và 2 , momen tải không đổi Mc , sai số tốc độ tương ứng sẽ là: Mc s1 % 100% 01  1 Mc s2 % 100% 02  2 62   01 0  1 0  max 0  02  0 2 0 min 0 0 M M M c nm2 Hình 3.1. Ví dụ xác định vùng điều chỉnh Nếu gọi bội số momen khởi động là Knm2 = Mnm2 / Mc thì: 1 s2 % 100% Knm2 và theo định nghĩa, ta có: min  s2 % 1   100% 02  MKc nm2 min 1  s 2  (3.4) 2 Từ biểu thức (3.4) ta có thể thấy được sự liên quan giữa dải điều chỉnh, độ chính xác điều chỉnh và độ cứng của đặc tính cơ. Vì rằng dải điều chỉnh và độ chính xác đã được xác định bởi yêu cầu công nghệ, nên việc xác định giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ là một phần trong bài toán thiết kế hệ truyền động điện tự động. 63 3.1.4. Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép của động cơ và đặc tính cơ của máy sản xuất Ta có định nghĩa: Momen tải cho phép của một động cơ ở một tốc độ làm việc nào đó là momen do động cơ sinh ra khi cho dòng điện trong mạch chính bằng Iđm . Như vậy nếu động cơ làm việc ở tốc độ định mức thì momen tải cho phép của nó Mtcp = Mđm . Khi điều chỉnh, tốc độ làm việc có thể thay đổi, do đó Mtcp có thể bằng hoặc khác với định mức, và nói chung nó phụ thuộc vào tốc độ. Hàm số Mtcp = f( ) được gọi là đặc tính tải cho phép của động cơ. Mỗi hệ truyền động và mỗi phương pháp điều chỉnh tốc độ có một dạng đặc tính A A Mtcp = f( ) tương ứng, ví dụ Mtcp = const, Mtcp = , Mtcp = (A là hằng số).  o   Một hệ truyền động điều chỉnh được coi là tốt nếu đặc tính tải cho phép của động cơ Mtcp = f( ) bám sát (phù hợp) với đặc tính cơ của máy sản xuất Mc = f( ). Trường hợp lý tưởng là hai đặc tính này trùng nhau. Khi đó toàn bộ dải điều chỉnh tốc độ động cơ đều làm việc với I = Iđm .    2 3 Mtcp( ) Mc( ) Mtcp( )  2  1 1 Mc( ) 0 0 M M a) b) Hình 3.2. Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép của động cơ và đặc tính cơ của máy sản xuất a) Mtcp trùng với Mc b) Mtcp không trùng với Mc 64 Trên hình 3.2 đưa ra hai ví dụ: a) Khi Mtcp trùng với Mc như trường hợp lý tưởng đã nêu. b) Khi hai đặc tính này không phù hợp với nhau, khi đó động cơ chỉ làm việc tốt (với I = Iđm ) tại một tốc độ 2 ; trong vùng 2  3 , Mc < Mtcp nên động cơ làm việc tải nhẹ gây lãng phí, còn trong vùng từ 1  2 , Mc > Mtcp nên động cơ bị quá tải, I > Iđm và sẽ gây hư hỏng cho động cơ. 3.1.5. Chỉ tiêu kinh tế Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết định cho việc chọn các phương án điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu tư, chi phí vận hành hệ thống và hiệu quả do áp dụng phương pháp điều chỉnh mang lại. Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lượng khi biến đổi và điều chỉnh đóng vai trò quan trọng, ngoài ra hệ số công suất cos  cũng góp phần ảnh hưởng không nhỏ đến chi phí vận hành. 3.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều được thể hiện cụ thể bằng việc điều chỉnh các tọa độ của nó. Thực chất của việc điều chỉnh tọa độ chính là làm biến dạng các đặc tính cơ, nghĩa là tạo ra các đặc tính nhân tạo. Vì vậy các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ cũng chính là các phương pháp tạo ra đặc tính nhân tạo đã đề cập trong chương 2. Đối với động cơ một chiều, ta có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ: - Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng Rf . - Điều chỉnh bằng từ thông kích từ  - Điều chỉnh bằng điện áp phần ứng Uư 3.2.1. Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng Rf a) Nguyên lý điều chỉnh Ở đây ta sử dụng một điện trở có 3 cấp (3 đoạn) Rf1 , Rf2 , Rf3 và các tiếp điểm công tắc N, H, K song song với các đoạn điện trở. 65 + _ Uđm N H K Rư Iđm E R R R f1 f2 f3 Ikt CK Ukt _ + Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều khi điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng  o ñm tn min nt: Rf  0  0 M c = Mđm Mccp M Hình 3.4. Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ một chiều khi điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng 66 Phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ: URR ñm ö f I  KK  ö (3.5) ñm  ñm URR ñm ö f M  K  2 (3.6) ñm K  ñm  Khi cho Rf thay đổi ta sẽ làm thay đổi độ cứng đặc tính cơ, còn tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi nên có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ. b) Đánh giá K 2  ñm  Ta có:   RR (3.7) ö f - Sai số tốc độ lớn - Khả năng quá tải thấp D = max/  min R R  ö M 1ö M  = ñm   o  ñm = o  ñm  max K 2 K 2   ñm  o  ñm       R  R  1ö K I 1 ö = o   ñm ñm = o    U 2 U ñm K  ñm  K  ñm   I  ñm  ñm  R 1ö  1 R* = o R    o  ö  ñm  min xác định theo khả năng qúa tải cho phép. Mccp = Kqt Mđm Kqt là hệ số quá tải của máy sản xuất, là số liệu cho trước. 67 tg min  o Ta có:  MMM  ccp c ccp K 1 o MM o KMM qt   min M  ccp  c  = KM  qt ñm ñm  =o K ccp qt ñm qt 1 R* K o  ö qt * max   1 R Suy ra: D =  K 1 = K 1  ö  (3.8) min qt  qt  o K qt Ví dụ 3.1. Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có các số liệu sau: - Công suất định mức: Pđm = 29kW - Điện áp định mức: Uđm = 220V - Dòng điện định mức: Iđm = 151A - Điện trở mạch phần ứng: Rư = 0,07  Xác định phạm vi điều chỉnh theo khả năng quá tải yêu cầu của động cơ trên, biết hệ số qúa tải Kqt = 2. Giải Điện trở định mức của động cơ: Rđm = Uđm / Iđm = 220 / 151 = 1,45 Điện trở mạch phần ứng tính theo đơn vị tương đối: R* ö = Rư / Rđm = 0,07 / 1,45 = 0,048 Phạm vi điều chỉnh: K 2 qt 1 R* 1 0,048 D = K 1  ö  = 2 1   = 1,9 qt   Ví dụ trên cho thấy phạm vi điều chỉnh như vậy là rất hẹp. Momen tải cho phép: K K I M const Mtcp = ñm Iư = ñm ñm  ñm  (3.9) Iư = Iđm 68 Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải cần trục. Hướng điều chỉnh là dưới tốc độ cơ bản. Điều chỉnh không triệt để: khi Mc = 0 không điều chỉnh được. 3.2.2. Điều chỉnh bằng từ thông kích từ  a) Nguyên lý điều chỉnh Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển bằng từ thông được vẽ trên hình 3.5a,b, trong đó dòng kích từ Ikt và từ thông  có thể thay đổi nhờ biến trở Rfk hoặc nhờ bộ nguồn kích từ có điện áp Ukt thay đổi. Các đặc tính tự nhiên và nhân tạo được vẽ trên hình 3.5c, trong đó đặc tính tự nhiên có   ñm ở vị trí thấp nhất. Các đặc tính điều chỉnh đều ứng với các từ thông   ñm có vị trí cao hơn. U _ + đm  Rư I U _ ư E + đm 2 < 1 <ñm E  02 Rf R  ư Ikt 1 I CK 01 ư E E U 0 Rf + kt _ Ikt CK ñm Rfk 0 a) Mđm 2Mđm M c) b) Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý (a, b) và các đặc tính cơ khi điều chỉnh bằng từ thông kích từ  của động cơ một chiều Phương trình đặc tính cơ: UR ñm ö M  K  2 (3.10)  K 69 b) Đánh giá 2 K U   ñm Ta có:   R và o  K ö  Khi  giảm thì o tăng,  giảm và độ sụt tốc  càng lớn. Thực tế các đặc tính này chỉ tồn tại trong vùng 0  < 2Mđm . Ở đó khi từ thông giảm, o sẽ tăng nhiều so với phần tăng của độ sụt tốc  và kết quả là tốc độ động cơ tăng lên. Ở vùng phụ tải lớn, độ sụt tốc có thể tăng nhiều hơn, nên tốc độ có thể lại giảm khi ta giảm từ thông. Tuy nhiên vùng này ít gặp trong thực tế. Sai số tốc độ lớn, khả năng quá tải giảm Phạm vi điều chỉnh của phương pháp này bị hạn chế cả về phía max và phía min . Tốc độ thấp nhất bị giới hạn bởi đặc tính tự nhiên ( min = ñm ). Tốc độ cao nhất bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch trên cổ góp động cơ. Đối với các động cơ thông dụng: max (1,5  2) ñm . Do đó dải điều chỉnh D  2. Các động cơ chế tạo đặc biệt có thể có D = 3  6 nhưng kích thước to và giá thành đắt. UEIREK Ta có: ñm  ö ö    U ñm Do đó: K  (3.11)  Momen tải cho phép: UIP K KI ñm ñm ñm Mtcp =  Iư = ñm   (3.12)   Iư = Iđm Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải máy tiện. Phương pháp điều chỉnh này có ưu điểm về độ tinh điều chỉnh, có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ vô cấp, nhờ phần tử điều chỉnh đặt ở mạch kích từ, có công suất nhỏ (chỉ bằng khoảng 2  5% công suất định mức của động cơ). Trong các hệ truyền động hiện đại, sử dụng sơ đồ 3.5b, kết hợp phương pháp điều chỉnh tự động người ta cải thiện được độ chính xác điều chỉnh, còn dải điều chỉnh thì không mở rộng thêm được. 70 3.2.3. Điều chỉnh bằng điện áp phần ứng Uư a) Nguyên lý điều chỉnh Khi giữ từ thông không đổi   ñm , không nối thêm điện trở phụ Rf ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều hiệu quả bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư . Để tạo ra điện áp Uư người ta sử dụng các bộ nguồn “Thiết bị biến đổi điều khiển” làm chức năng biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh sức điện động Eb của nó theo tín hiệu điều khiển Uđk. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế được vẽ trên hình 3.6. I Rb ư Rư Uđk BĐ Đ E Uư E b a) b) Hình 3.6. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ thay thế Phương trình đặc tính cơ có thể rút ra từ phương trình cân bằng điện áp của mạch điện hình 3.6b: Eb – E = Iư (Rư + Rb) (3.13) Trong đó: Eb – sức điện động của bộ biến đổi, phụ thuộc điện áp điều khiển Eb = f(Uđk) K E – sức điện động của động cơ: E = ñm  Rb – điện trở trong bộ biến đổi, thường có giá trị đáng kể hoặc xấp xỉ với điện trở phần ứng động cơ (Rb  Rư). 71 Từ đó ta có phương trình: ERR b ö b I  KK  ö (3.14) ñm  ñm ERR b ö b M  K  2 (3.15) ñm K  ñm  Khi thay đổi điện áp điều khiển Uđk của bộ biến đổi, sức điện động Eb thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của o , còn độ cứng đặc tính cơ b và độ sụt tốc  không đổi. Kết quả ta thu được họ đặc tính điều chỉnh là những đường thẳng song song trên hình 3.7.  o max max tn omin b min A B 0 Mc = Mđm Mccp M Hình 3.7. Các đặc tính cơ khi điều chỉnh bằng điện áp phần ứng b) Đánh giá K 2  ñm  - Độ cứng các đặc tính điều chỉnh được giữ không đổi b  RR = const và ö b / 2 không bị giảm khi điều chỉnh sâu. Thông thường Rb  Rư nên b   tn , nhờ đó sai số tốc độ  không đổi và có giá trị nhỏ nên sai số tốc độ đặt nhỏ. - Khả năng quá tải lớn. 72 - D = max/  min R M ö M ñm max = ñm   o  2 ñm = o  K tn  ñm  min xác định theo khả năng qúa tải cho phép: Mccp = Kqt Mđm M MM MMMM  BA ccp c ccp  c Ta có: b   0   B   A   min  min MM KMM M ccp c qt ñm ñm ñm (K 1)  min   qt  b b b M M ñmñm   b  o  b  b o o   M M  tn ñm max tn  ñm  tn Do đó: D =  M K 1  K 1 min ñm (K 1) qt qt  qt  b 2 U K 1 o  b ñm .. ñm  Ta có: MKRRKI ñm ñm ö  b  ñm ñm U/IR 1 1 ñm ñm ñm = RRRR RR  RR** ö b ö  b ö b ö b RR ñm ñm K 2  ñm  RRR b ö  b ö 2  RR tnK ö  b  ñm  R ö 1 R ö RR**  RR ö b ö b Suy ra: D = K 1 (3.16) qt  73 Với động cơ cho trong ví dụ 3.1, nếu bộ biến đổi cũng có Rb = Rư = 0,07  R** R 0,048 ( ö b   ) và khi có cùng Kqt = 2 thì dải điều chỉnh là: 1 1 2.0,048 2 D = = 9,9 2 1 Ta thấy dải điều chỉnh trong trường hợp này lớn hơn rất nhiều so với dải điều chỉnh ở phương pháp dùng Rf ở ví dụ 3.1 (D = 1,9). Momen tải cho phép: K K I M const Mtcp = ñm Iư = ñm ñm  ñm  (3.17) Iư = Iđm Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải cần trục. Phương pháp điều chỉnh động cơ bằng điện áp phần ứng cũng đảm bảo độ tinh cao, có thể điều chỉnh vô cấp và tổn hao năng lượng ít. Điều chỉnh triệt để: khi Mc = 0 vẫn điều chỉnh được. Với những chỉ tiêu chất lượng nêu trên, phương pháp điều chỉnh động cơ bằng điện áp phần ứng được đánh giá tốt và sử dụng rộng rãi trong thực tế. 3.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, người ta thường tác động vào một trong các thông số sau: - Điện trở mạch rôto R2 - Điện áp stato U1 - Tần số dòng điện stato f Ngoài ra người ta còn sử dụng sơ đồ đặc biệt - sơ đồ tầng để điều khiển tốc độ động cơ này thông qua việc điều chỉnh công suất trượt trong mạch rôto. Ta sẽ lần lượt khảo sát các phương pháp đó. 74 3.3.1. Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch rôto Rf Có thể nêu một nhận xét tổng quát rằng: phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện trở phụ trong mạch rôto hoàn toàn tương đồng với phương pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng, cả về sơ đồ nối dây, họ đặc tính, các chỉ tiêu chất lượng. a) Sơ đồ nguyên lý của một hệ điều khiển hai cấp điện trở phụ và họ đặc tính được nêu trên hình 3.8.  1 tn sđm sc1 R f1 sc2 H Rf1 + Rf2 Rf1 K Mth Rf2 0 Mc = Mđm M a) b) Hình 3.8. Điều chỉnh bằng điện trở phụ trong mạch rôto Rf a) Sơ đồ nguyên lý b) Họ đặc tính cơ Theo kết quả phân tích trong chương 2 khi Rf thay đổi ta có: Momen tới hạn của động cơ: 2 3U1 Mth   const (3.18) 21 X nm 75 Độ trượt tới hạn: '' r2 R f sth  (3.19) Xnm Tốc độ không tải lý tưởng: 2 f    const (3.20) 1 p Nếu tuyến tính hóa đoạn đặc tính công tác trong phạm vi phụ tải từ 0  Mc = Mđm , ta có biểu thức gần đúng: M Mñm s  s (3.21) c Trong đó: sc - độ trượt tại Mc = Mđm Lúc đó đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi Rf = var hoàn toàn trùng hợp với họ đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ki điều chỉnh Rf , với độ cứng của các đặc tính nhân tạo: M ñm   s (3.22) 1 c Khi tăng điện trở phụ Rf , độ cứng đặc tính cơ  giảm, do đó điều chỉnh được tốc độ làm việc. b) Đánh giá - Do độ cứng của các đặc tính điều chỉnh thấp, nên sai số tốc độ lớn, momen quá tải nhỏ và dải điều chỉnh thường không vượt quá 2 (D  2). - Momen tải cho phép: 3I'2 R ' 3I'2 R ' 2 2 2 ñm 2 M const Mtcp = s = s ñm  (3.23) 1 1 ' I2 = Iđm Phương pháp điều chỉnh này phù hợp với tải cần trục. - Hệ điều chỉnh không triệt để, khi Mc = 0 không điều chỉnh được. 76 3.3.2. Điều chỉnh bằng điện áp stato U1 Momen tới hạn của động cơ: 2 3U1 Mth  (3.24) 21 X nm Độ trượt tới hạn: '' r2 R f sth  = const (3.25) Xnm Tốc độ không tải lý tưởng: 2 f    const (3.26) 1 p  Ul = const tn 1 Uđk s th Ul = var U 11 U12 Mth 0 MnmU MthU Mnm M b) Ro  a)  tn Hình 3.9. Điều chỉnh bằng điện áp stato 1 gh a) Sơ đồ nguyên lý b) Họ đặc tính khi Ro = 0 U12 (động cơ rôto lồng sóc) U11 sth.gh c) Họ đặc tính khi Ro  0 Mth (động cơ rôto dây quấn) 0 MthU M 77 c) Nếu dùng bộ nguồn có điện áp ra thay đổi U1 = var cung cấp cho mạch stato động cơ theo sơ đồ khái quát hình 3.9a ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. Dạng các đặc tính điều chỉnh vẽ ở hình 3.9b, c. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp điều chỉnh này cho động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn có khác nhau. a) Đối với động cơ rôto lồng sóc Do độ trượt tới hạn nhỏ, nên phần tác dụng (đoạn công tác) trên các đặc tính điều chỉnh ngắn, hiệu quả điều chỉnh tốc độ không cao (xem hình 3.9b), vì vậy phương pháp này thường được ứng dụng để điều khiển momen và dòng điện khởi động. b) Đối với động cơ rôto lồng sóc Người ta thường đưa thêm một bộ điện trở cố định Ro vào ba pha rôto (như hình 3.9a) để làm tăng độ trượt cố định. Khi đó đặc tính cơ giới hạn sẽ là đường gh trên hình 3.9c ứng với Uđm và có Ro . Các đặc tính giảm áp khác (U11 , U12) đều được kéo dài đoạn đặc tính công tác, nhờ đó mở rộng được vùng điều chỉnh (cả tốc độ và momen tải). Nhờ đó phương pháp này còn có thể điều chỉnh tốc độ. - Momen tải cho phép: 3I'2 R ' 3I'2 R ' A 2 2 2 ñm 2 Mtcp = s = s s (3.27) 1 1 ' I2 = Iđm 3I'2 R ' A 2 ñm 2 Trong đó:  = const, nghĩa là Mtcp tỉ lệ nghịch với độ trượt. 1 Đặc tính Mtcp = f(s) cũng chính là Mtcp = f( ) được vẽ trên hình 3.10, là đường cong phù hợp với tải quạt gió hoặc các tải có Mc là hàm tăng theo tốc độ. Nếu sử dụng phương pháp này cho động cơ kéo các máy có Mc là hàm tăng của tốc độ, thì dải điều chỉnh được mở rộng đáng kể. Hình 3.10 kết hợp minh họa cho điều đó: với đặc tính cơ của máy sản xuất quạt gió Mc( ) như trên hình vẽ, khi thay đổi điện áp stato từ U1min đến Uđm , ta sẽ điều chỉnh được tốc độ từ min đến max . 78  Mc( ) s = 0 1 max Mtcp( )  min gh: Uđm U1m U1i 0 M Hình 3.10. Đặc tính momen tải cho phép Mtcp = ( ) của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng điện áp U1 và phạm vi điều chỉnh khi tải quạt gió 3.3.3. Điều chỉnh bằng tần số Phương pháp điều chỉnh tần số đã đưa lại cho động cơ không đồng bộ khả năng điều chỉnh các thông số đầu ra vượt trội, đạt đến mức độ tương đương như động cơ một chiều kích từ độc lập khi điều khiển bằng điện áp phần ứng, nhờ đó các hệ truyền động không đồng bộ có điều chỉnh tần số đã được ứng dụng rộng rãi. Phương pháp này cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao. Sơ đồ khái quát của hệ (hình 3.11) bao gồm bộ nguồn BT có khả năng điều chỉnh tần số và điện áp hoặc dòng điện, cấp cho stato động cơ Đ và một khối điều khiển ĐK dùng để xử lý các tín hiệu điều khiển hệ thống. Hệ biến tần - động cơ không đồng bộ BT - Đ có được sự hoàn thiện về lý thuyết cũng như thực tiễn như ngày nay một phần lớn nhờ sự phát triển mạnh của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật tính toán. Nhờ đó người ta tạo ra được các bộ nguồn BT với tần số f1 biến đổi tùy ý và điện áp ra U1 hoặc I1 thay đổi theo các quy luật yêu cầu. Khối điều khiển ĐK có khả năng tính toán, chuyển đổi từ hệ phương trình này sang hệ 79 phương trình khác để xử lý tín hiệu đặt Uđ và các tín hiệu phản hồi Uph1 , Uph2 thành hai tín hiệu cơ bản để điều chỉnh tần số (Uđk) và điều khiển duy trì từ thông động cơ U ( ñ ). Sơ đồ khái quát hình 3.11 cũng cho ta thấy đa phần hệ BT - Đ là hệ tự động vòng kín, chỉ có một số ít có luật điều khiển đơn giản đặt trước là hệ điều khiển vòng hở. Trước hết cần hiểu cấu tạo của bộ biến tần. Ul fl const const Uđf U đ U ñ I 1 fl Ul Uph1 var var Uph2  Hình 3.11. Sơ đồ khái quát hệ BT - Đ a) Bộ biến tần Ngày nay các loại biến tần dùng máy điện quay hầu như không được sử dụng, mà người t chỉ dùng các loại biến tần có van bán dẫn. Chức năng của bộ biến tần là biến đổi tần số và điện áp lưới tạo ra f1 = var và U1 = var để cấp vào sao động cơ. Nếu hai đại lượng đó (f1 và U1) có khả năng biến đổi độc lập với nhau thì càng tốt. Trước đây thỉnh thoảng ta còn gặp loại biến tần trực tiếp với tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới điện (fl < fl). Hiện nay chủ yếu người ta dùng loại “biến tần có khâu trung gian một chiều”. Cấu tạo của nó gồm có ba khâu chính: Khâu chỉnh lưu 80 (điều khiển hoặc không điều khiển) CL, khâu lọc (dung tính hoặc cảm tính) và khâu nghịch lưu (điện áp và dòng điện) NL. Sơ đồ khối của nó như trên hình 3.12. Id fl = var + + Ul = var U = const NL l CL (Ud) Lọc Ud Đ _ _ fl = const Hình 3.12. Sơ đồ khối của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều - Khâu chỉnh lưu có chức năng biến điện xoay chiều (từ lưới điện Ul = const và fl = const) thành điện một chiều có điện áp Ud (điều chỉnh hoặc không điều chỉnh). Nó được thiết lập nhờ các van iristo, hoặc diot. Cũng có thể sử dụng bộ băm xung gồm chỉnh lưu diot và khóa băm tiristor. Yêu cầu điều chỉnh điện áp U1 trên stato động cơ cũng có thể thực hiện nhờ sự thay đổi Ud của khâu chỉnh lưu. - Khâu nghịch lưu làm nhiệm vụ biến điện áp một chiều Ud (và Id) thành điện xoay chiều 3 pha có tần số thay đổi theo yêu câu vào stao động cơ. Trong nhiều trường hợp, khâu nghịch lưu đồng thời thực hiện cả việc thay đổi điện áp ra U1 , mà không cần đến khâu chỉnh lưu (khi đó dùng chỉnh lưu không điều khiển). Tùy theo sự thuận tiện thực hiện luật điều khiển động cơ, ta có thể dùng nghịch lưu nguồn áp hoặc nghịch lưu nguồn dòng. - Khâu lọc có tác dụng làm giảm đập mạch của điện áp Ud và dòng điện Id sau chỉnh lưu. Nếu dùng nghịch lưu áp thì khâu lọc có tụ lớn (để giữ điện áp Ud = const), còn nếu dùng nghịch lưu dòng thì khâu lọc có cuộn cảm lớn (để giữ Id = const). b) Các luật (nguyên lý) điều chỉnh tần số Đặc điểm làm việc của động cơ không đồng bộ là khi nối nó vào nguồn điện áp Uđm và tần số fđm thì từ thông ñm và mạch từ ở vào trạng thái bắt đầu bão hòa. Như 81 vậy mạch từ đã làm việc hết công suất và động cơ làm việc ở chế độ tối ưu. Sức điện động của cuộn dây stato tỷ lệ với từ thông 1 và tần số f1 theo biểu thức: .... E1 C  1 f1  U1  I 1 Z 1 (3.28) Khi điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số f1 thì từ thông 1 có thể bị thay đổi và động cơ không đảm bảo được chế độ tối ưu nói trên. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề tìm các luật điều khiển sao cho khi f1 thay đổi thì từ thông động cơ vẫn giữ được giá trị  = ñm . Nó có thể là từ thông của stato 1 hoặc từ thông của rôto 2 hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa  . Có một số luật điều khiển sau đây: - Luật U/f không đổi: U1/f1 = const Từ (3.29) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có EU1 1 , do đó: U1 1  C (3.29) f1 Như vậy, để giữ 1 = ñm = const , khi điều chỉnh tần số f1, ta phải thay đổi U1 U Uñm f ** một cách tỷ lệ: 1 f 1 hoặc U1 f 1 (3.30) ñm Luật (3.30) rất đơn giản, có thể thực hiện điều khiển vòng hở, bằng cách lấy tín hiệu đặt tần số Uđf làm chủ đạo, suy ra tín hiệu đặt điện áp UđU qua khâu tỷ lệ để cùng điều chỉnh tần số và điện áp ra của bộ biến tần, như sơ đồ hình 3.13a. 2 2 Về lý thuyết, khi điều khiển theo luật (3.30),   f1 và Mth U 1 / f 1 = const, nghĩa là momen tới hạn không đổi và ta có họ đặc tính cơ trên hình 3.13b, (các đường nét đứt). Tuy nhiên ở các cấp tần số nhỏ (cỡ dưới 10  15Hz) thì ảnh hưởng của sụt áp trên điện trở R1 đáng kể làm cho điện áp U1 bị giảm nhiều hơn giá trị tỷ lệ ở (3.30), do đó Mth giảm nhiều (xem hình 3.13b các đường nét liền). 82 U đU (CL) U đf BT Uđf (NL)(NL) a)  f1 > fđm fđm = 50Hz ' f1 < fđm 10 Hz 5 Hz 0 M b) Hình 3.13. Sơ đồ khối và đặc tính cơ của hệ BT - Đ điều khiển theo luật U/f = const - Luật hệ số quá tải không đổi:  Mth / M c  const Luật U/f nêu trên với Mth = const khi điều chỉnh tốc độ chỉ thích hợp với phụ tải có Mc = const. Nếu căn cứ điều kiện về sự phù hợp giữa momen cho phép của động cơ và momen cản thì quy luật  = const sẽ ưu việt hơn. 83 2 2 2 3U1 3U1 3U1 Ta có: Mth =   2 2  2 X 2 f1 21 R 1  R 1  X nm 1 nm 2 2 f (L  sL )   p 1 1 2 2 2 3p U1 U1  2. 2 = B. 2 8 (L1  sL 2 ) f 1 f1 3p với B  2 = const 8 (L1  sL 2 ) 2 U1 Từ quan hệ: Mth = B. 2 và  Mth / M c  const f1 UU2 2 ñm 1 Ta có: f2 M f 2 M   = const ñm c.ñm 1 c U f M 1 1 c Do đó: U f M ñm ñm c.ñm U*** f M hoặc 1 1 c (3.31) q   Ta có: Mc = Mco + (Mđm - Mco)  ñm  M q c   Nếu ta coi Mco = 0 thì: M    ñm ñm  q M**  c    (3.32) 2 f 2 f  1 (1 s)  1ñm (1 s) Mà  p  và ñm p  **f    1 (3.33) q U*** f f Suy ra: 1 1 1  (3.34) 84 - Khi tải loại máy nâng, cần trục, Mc = const, q = 0 ta có: ** U f U1 1 1 hoặc = const f1 - Khi tải loại máy tiện, Mc tỉ lệ nghịch với , q = -1 ta có: 1 **** U f f f U1 1 1 1  1 hoặc = const f1 - Khi tải loại ma sát nhớt, Mc tỉ lệ thuận với , q = 1 ta có: 3/2 **** U f f f U1 1 1 1  1 hoặc = const   3/2 f1  2 - Khi tải loại quạt gió, Mc tỉ lệ thuận với  , q = 2 ta có: 2 ** U f U1 1 1 hoặc = const   2 f1 Quy luật điều chỉnh điện áp U1 khi điều chỉnh tốc độ  động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh tần số f1 không những phụ thuộc vào f1 mà còn phụ thuộc vào tải trên trục động cơ.    Mc Mc f12 f12 f13 f12 f1đm f1đm M f1đm c f 1đm f11 f 11 f11 f 11 f12 0 0 0 0 Mc Mth M 1 M a) b) c) Hình 3.14. Đặc tính cơ của hệ BT - Đ khi điều chỉnh theo luật   const với các loại tải khác nhau a) Tải cần trục b) Tải máy tiện c) Tải quạt gió 85 Để điều khiển bộ biến tần theo luật này, ta cũng lấy tín hiệu đặt tần số làm chủ đạo (Uđf), kết hợp với hàm số Mc = f( )  f’(f1) để tạo ra tín hiệu đặt điện áp UđU . Ưu điểm của luật này là momen tới hạn Mth thay đổi phù hợp với Mc . Dạng các đặc tính cơ điều chỉnh với các loại đặc tính cơ của máy sản xuất khác nhau sẽ như trên hình 3.14. Chú ý, ở các cấp tần số thấp, điện áp U1 cũng sẽ bị giảm nhiều hơn so với giá trị tính (3.30), do đó Mth cũng bị giảm tương tự như ở trường hợp sử dụng luật U/f = const (xem đường nét đứt trên hình 3.14a). c) Đánh giá - Độ cứng đặc tính cơ  lớn, sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn. - Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh theo luật U/f = const tương tự như đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh điện áp phần ứng Uư , phạm vi điều chỉnh lớn. - Điều chỉnh tinh, vô cấp và có khả năng điều chỉnh tự động tốc độ. - Điều chỉnh được cả trên ñm . - Điều chỉnh triệt để, khi M = 0 vẫn điều chỉnh được tốc độ. 3.3.4. Điều chỉnh công suất trượt trong mạch rôto a) Việc sử dụng công suất trượt trong sơ đồ tầng Khi động cơ không đồng bộ làm việc ở tốc độ  ứng với độ trượt s nào đó, công suất lấy từ lưới điện sau khi chuyển thành công suất điện từ P12 = Mđt 1 sẽ được chia thành hai thành phần chính: công suất cơ đưa ra trục Pc = M  và công suất trượt chuyển vào mạch rôto PS = P12.s (giả thiết bỏ qua các tổn thất trên các dây quấn, lõi thép và ma sát trên ổ trục). Ta có: P12 = Pc + PS 86 Ở các hệ điều khiển trước đây, công suất PS được tiêu tán vô ích trên điện trở mạch rôto dưới dạng nhiệt, nên nó được coi là công suất tổn thất - gọi là tổn thất trượt và tỷ lệ với độ trượt s. Điều chỉnh tốc độ càng sâu, độ trượt càng lớn, do đó chỉ tiêu năng lượng của các phương pháp điều chỉnh đã xét càng thấp. Vì vậy, đối với các động cơ không đồng bộ rôto dây quấn công suất lớn, có khả năng phát sinh PS lớn, người ta sử dụng phương pháp điều khiển theo sơ đồ tầng, nhằm mục đích sử dụng có ích công suất trượt khi điều chỉnh tốc độ. Lưới Lưới P1  P12 P1  P12 Pc Pc Động cơ Máy sản xuất Động cơ Máy sản xuất P  P P S điện S ' P Thiết bị biến đổi c Thiết bị biến đổi a) b) Hình 3.15. Biểu đồ năng lượng trong các sơ đồ tầng a) Sơ đồ tầng điện cơ b) Sơ đồ tầng điện Để thực hiện ý tưởng đó, người ta đưa vào mạch rôto một thiết bị biến đổi để tiếp nhận năng lượng trượt PS rồi biến đổi nó thành cơ năng bổ sung vào trục động cơ để cùng quay máy sản xuất (hình 3.15a) hoặc thành điện năng có tần số bằng tần số lưới điện f1 và trả về lưới (hình 3.15b). b) Phân loại sơ đồ tầng Người ta chia sơ đồ tầng thành hai loại tương ứng với hai dạng năng lượng được sử dụng từ công suất trượt của động cơ, như đã mô tả trên hình 3.15: 87 - Sơ đồ tầng điện cơ có biểu đồ năng lượng như hình 3.15a, dùng thiết bị biến đổi điện cơ. Đó là một động cơ điện nối chung trục với động cơ được điều chỉnh. Nếu bỏ qua các tổn thất trong thiết bị biến đổi thì năng lượng trượt được biến đổi thành cơ ' năng Pc = PS . Công suất cơ tổng chuyển cho máy sản xuất là: ' Pc.t = Pc + Pc = Pc + PS = P12 = Mđt 1 = const (3.35) Vì vậy sơ đồ tầng điện cơ còn được gọi là sơ đồ tầng có công suất không đổi (khi điều chỉnh tốc độ). - Sơ đồ tầng điện có biểu đồ năng lượng như hình 3.15b. Ở đây thiết bị biến đổi là bộ nghịch lưu phụ thuộc, biến năng lượng trượt với tần số của dòng điện rôto thành điện năng có tần số của lưới điện f1 để trả về lưới. Nếu giữ dòng điện cấp vào động cơ là định mức I1đm thì công suất điện từ của động cơ cũng là định mức: P12 = Mđm 1 . Công suất cơ tổng chuyển cho máy sản xuất là: Pc = P12 - PS = Mđm 1 - Mđm 1 s = Mđm 1 (1 – s) (3.36) Như vậy, công suất cơ cấp cho máy sản xuất sẽ phụ thuộc độ trượt, tức phụ thuộc vào tốc độ làm việc. Từ (3.37) ta xác định được momen tải cho phép của động cơ trong sơ đồ tầng điện như sau: M (1 s) Pc ñm 1  Mcp =  = Mđt = const (3.37)   (1 s) Trong đó:   1  - tốc độ làm việc của động cơ. Vì vậy người ta gọi sơ đồ tầng điện là tầng có momen không đổi. c) Sơ đồ nguyên lý của tầng điện cơ và tầng điện - Tầng điện cơ Sơ đồ nguyên lý được vẽ trên hình 3.16. Đ là động cơ được điều chỉnh. Sức điện động rôto E2 được chỉnh lưu thành sức điện động một chiều E2.tb có biểu thức: E2.tb = Ku E2 = Ku E2nm.s (3.38) Trong đó: Ku = 2,34 - hệ số chỉnh lưu cầu ba pha E2nm - sức điện động ngắn mạch rôto (giá trị pha) 88 Sức điện động này được nối vào phần ứng của động cơ một chiều Đmc (kích từ độc lập) đóng vai trò thiết bị biến đổi (trong hình 3.15a). Động cơ này sẽ nhận năng lượng trượt từ bộ chỉnh lưu dưới dạng điện năng một chiều, và biến đổi thành cơ năng trên trục. Truc của nó được nối chung với trục động cơ Đ, do đó nối truyền năng lượng trượt về trục cơ của máy sản xuất. Sức điện động phần ứng của Đmc như đã biết, phụ thuộc vào từ thông và tốc độ của nó: Ebđ = K.  = K.a.Ikt . (3.39) Trong đó, từ thông phụ thuộc dòng điện kích từ:  = a.Ikt Đmc (Thiết bị biến đổi) Máy sản xuất + E bđ I  kt Đ _ E2 Id I2 (Iư) CL + E2d _ Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý tầng điện cơ Dòng điện phần ứng động cơ Id = Iư tỷ lệ nghịch với dòng điện rôto I2 và được xác định theo các sức điện động trong mạch: 89 EE 2d bñ Id = Ki I2 = R (3.40) t Trong đó: Rt - điện trở trong mạch chỉnh lưu - động cơ một chiều (Rt = RCL + Rbđ) Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm xác lập nào đó với tốc độ , độ trượt s và dòng điện I2 xác lập, nếu ta thay đổi dòng kích từ của động cơ Đmc , sức điện động Ebđ của nó sẽ thay đổi (xem biểu thức 3.41), dòng điện I2 thay đổi theo biểu thức (3.42), do đó momen động cơ thay đổi. Sự thay đổi momen sẽ làm tốc độ động cơ thay đổi, và hệ thống sẽ chuyển sang làm việc ở một điểm xác lập mới với tốc độ làm việc khác. Đó là nguyên tắc điều chỉnh tốc độ trong tầng điện cơ. - Tầng điện Hình 3.17 giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của tầng điện. Ở đây năng lượng trượt trong mạch rôto của động cơ Đ (được biểu thị bởi các thông số sức điện động xoay chiều E2 , dòng điện xoay chiều I2 và tần số mạch rôto f2 = sf1) cũng được chỉnh lưu thành dạng một chiều (với các thông số E2d , Id) nhờ cầu diot CL rồi được truyền vào bộ nghịch lưu NL (với chức năng là thiết bị biến đổi trong biểu đồ hình 3.15b). Ở bộ nghịch lưu này việc chuyển mạch các tiristo được thực hiện nhờ điện áp lưới, do đó năng lượng trượt dạng một chiều sẽ được biến đổi thành xoay chiều có tần số của điện áp lưới, cuối cùng qua máy biến áp BA, năng lượng trượt được trả về lưới điện. Trong sơ đồ tầng điện (hình 3.17), dòng điện rôto của động cơ I2 hoặc dòng điện trong mạch một chiều Id cũng được xác định theo biểu thức (3.42), trong đó Ebđ -sức điện động của bộ nghịch lưu có biểu thức: Ebđ = ENL = Ud0cos  = - Ud0cos (3.41) Trong đó:  - góc mở của các tiristo ( >  /2)  =  -  - góc mở chậm của tiristo ở trạng thái nghịch lưu. 90 Ud0 - điện áp lớn nhất của bộ nghịch lưu ứng với trường hợp  = 0. Ud0 = 2,34.U2.ba Với U2.ba – điện áp pha thứ cấp của máy biến áp BA. Ul BA E2 Đ U2.ba I 2 NL CL + + E2d Ebđ KL Id Hình 3.17. Sơ đồ tầng điện Từ biểu thức (3.42) và (3.43) ta thấy, khi thay đổi góc mở  của các van trong bộ nghịch lưu (từ -  /2 đến   /2) tương ứng với sự thay đổi của sức điện động nghịch lưu Ebđ từ 0 đến  Ud0 thì dòng điện Id và I2 sẽ thay đổi, nhờ đó momen và tốc độ của động cơ sẽ được điều chỉnh. 91 BÀI TẬP TỰ GIẢI Xác định thông số điều chỉnh của động cơ mộ chiều kích từ độc lập khi nối mạch theo hệ “Bộ biến đổi - Động cơ” điều chỉnh điện áp phần ứng. Số liệu động cơ: Pđm = 12 kW; nđm = 685 (vòng/phút); Uđm = 220V; Iđm = 64A; Rư = 0,21  Số liệu bộ biến đổi: Chỉnh lưu tiristor 3 pha, 17kVA, Udo = 245V, Rcl = 0,4  , hệ làm việc ở chế độ dòng điện liện tục. Hãy xác định giá trị sức điện động (hoặc điện áp) của chỉnh lưu để đảm bảo các giá trị tốc độ tương ứng với momen cản tĩnh trên trục động cơ cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1 Phương án Thông số 1 2 3 4 5 6 Mc , Nm 33,46 83,65 167,3 251 167,3 251 , rad/s 81,3 61,13 71,7 33,5 7,17 65,6 Gợi ý n UIR ñm K ñm ñm ö Ta có: ñm  9,55 ; ñm  ñm Phương trình đặc tính cơ của hệ BĐ - Đ: ERR b ö cl M  K  2 ñm K  ñm  Thay số liệu các phương án từng cặp Mc và , lấy trong bảng số liệu, xác định được giá trị Eb tương ứng. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bê, Khương Công Minh, Lê Tiến Dũng, Trang bị điện trong máy, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2009. [2] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2003. [3] Hà Xuân Hòa, Truyền động điện, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2008 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007. [5] Khương Công Minh, Truyền động điện tự động, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2005. [6] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2003 [7] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004. [8] Bùi Đình Tiếu, Giáo trình Truyền động điện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2004 93 94