ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ

 

 

            Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được sử dụng rộng răi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung b́nh và chiếm tỷ lệ rất lớn so với động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ KĐB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ, đó là việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ một chiều. Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, động cơ KĐB mới được khai thác các ưu điểm của ḿnh. Nó trở thành hệ chuyển động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động tiristo - động cơ một chiều

            Khác với động cơ một chiều, động cơ KĐB được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Trong định hướng xây dựng hệ truyền động điện động cơ KĐB, người ta có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động động cơ một chiều.

            Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB.

  1. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi tiristo
  2. Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung tiristo
  3. Điều chỉnh công suất trượt Ps.
  4. Điều chỉnh tần số nguồn cugn cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số tiristo hay tranzito.

 

I. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ.

 

            Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với b́nh phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ KĐB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số

            Để điều chỉnh điện áp KĐB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC). Nếu coi ĐAXC là nguồn áp lư tưởng (Zb = 0) th́ căn cứ vào biểu thức mômen tới hạn, có quan hệ sau:

                                           (5-1)

Hay                

            Công thức (5-1) đúng với mọi giá trị của điện áp và mômen

            Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi:

                                                       (5-1)’

Trong đó: Udm - điện áp định mức của động cơ,

                ub - điện áp đầu ra của ĐAXC

                Mth – mômen tới hạn khi điện áp là định mức

    Mu – mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh.

    Mgh – mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf.

 

 

 

H́nh 5-1: Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ. a) Sơ đồ khối nguyên lư; b) Đặc tính cơ điều chỉnh

 

V́ giá trị độ trượt tới hạn sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ, nên nói chung không áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ thuộc vào mạch rôto để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mômen. Như thấy trên h́nh H.5-1b, tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi đó tốc độ không tải lư tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay. Theo lập luận ở mục 3-6 th́ tổn thất khi điều chỉnh là:

           

Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng:

           

Th́ tổn thất trong mạch rôto khi điều chỉnh điện áp là:

                       

Tổn thất là cực đại khi

                       

Như vậy tổn thất trong mạch rôto là:

                                                   (5-2)

            Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị trên h́nh H.5-2, ứng với từng loại phụ tải cơ có tính chất khác nhau.

            Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm ly tâm. Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm ĐAXC, trong đó v́ lư do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn cả.

 

 

H́nh 5-2: Sự phụ thuộc giữa tổn thất rôto và tốc độ điều chỉnh.

 

Mômen của động cơ KĐB có thể được tính theo ḍng điện áp rôto (xem phần đặc tính cơ động cơ không đồng bộ):

                                        (5-3)

            Nếu giữ ḍng điện rôto là không đổi Ir = const th́ mômen và độ trượt có quan hệ sau:

                        M.s = const

            Vùng điều chỉnh tốc độ và mômen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục toạ độ và đường cong:

                       

độ rộng của vùng này tuỳ thuộc vào giá trị điện trở phụ Rf.

            Do cách nối các van bán dẫn nên để có ḍng chạy qua động cơ th́ tại một thời điểm phải có ít nhất hai van ở hai pha khác nhau cũng dẫn điện. Động cơ không đồng bộ có thể coi là phụ tải ba pha gồm điện trở và điện cảm nối tiếp nhau, trong đó điện trở rôto biến thiên theo tốc độ quay R = R(s) và điện cảm phụ thuộc vào vị trí tương đối giữ dây quấn rôto và dây quấn stato, do đó tốc độ pha giữa ḍng điện và điện áp cũng biến thiên theo tốc độ quay

 

 

H́nh 5-3: Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ. a) Sơ đồ căn bản;

b) Dạng đặc tính cơ

 

Do tính chất tự nhiên của mạch điện có điện cảm nên nếu trong khoảng thời gian   mà đặt xung điều khiển vào các van bán dẫn th́ các van này sẽ chỉ dẫn ḍng từ thời điểm   trở đi và do đó ḍng điện và điện áp động cơ không phụ thuộc vào góc điều khiển  (h́nh 5-5a). Như vậy chỉ có thể điều chỉnh được điện áp khi góc điều khiên

           

 

H́nh 5-4: Ví dụ về trạng thái của các van bán dẫn

 

Khi góc điều khiển  th́ tuỳ thuộc vào giá trị tức thời của các điện áp dây mà có lúc có ba van ở ba pha khác nhau dẫn ḍng (h́nh 5-4a), điểm a’ nối vào a, b’ vào b và c’ vào c, điện áp tức thời trên tải chính là điện áp pha ua’ = Ua. Ở những đoận chỉ có hai van dẫn ḍng (h́nh 5-4b), điểm a’ nối vào a, b’ vào b, c’ hở mạch. Điện áp trên tải sẽ là một nửa điện áp dây tương ứng:

 u’a = 1/2uab.

            Khi góc điều khiển vượt quá giá trị giới hạn nào đó:  th́ không tồn tại chế độ dẫn ḍng ở cả ba pha mà chỉ có chế độ dẫn ḍng hai pha. Ở đoạn các van dẫn ḍng th́ điện áp tải bằng nửa điện áp dây tương ứng ua = 1/2uab

                        Phương tŕnh vi phân mô tả ḍng và áp trên mỗi đoạn là

                                                        (5-5)

Trong đó n = 1, 2, 3, … là số chỉ tên của mỗi đoạn dẫn ḍng. Nghiệm tổng quát của phương tŕnh có dạng:

                                        (5-6)

Trong đó:      là các điểm mộc

                 An – các hằng số tích phân,

                    - góc mở van ở đoạn thứ n

                 Z - tổng trở pha của động cơ.

            Do trong mạch có điện cảm nên giá trị cuối của ḍng điện ở đoạn thứ (n – 1) bằng giá trị đầu của ḍng điện ở đoạn thứ n, v́ thế có thể tính được các hằng số tích phân để t́m nghiệm riêng:

                             

            Điện áp đặt lên động cơ không phải là sin, trong đó chỉ có sóng điều hoà cơ bản là sinh mômen chính, các điều hoà coi như chỉ gây đốt nóng phụ động cơ. Biên độ điều hoà cơ bản trong khai triển Fourier là:

                                                                 (5-7)

Khi :

                                                (5-8)

                       

ở đoạn n = 1, 3, 5 th́

Ở đoạn n = 2 th́

Ở đoạn n = 4 th́ 

Khi :

                                                 (5-9)

            Coi U1n = Ub và đặt v = Ub/Um th́ v là hàm số của hai biến số góc điều khiển  và góc     

            Do tính chất phức tạp của quan hệ giữa mômen, điện áp và tốc độ của động cơ không đồng bộ nên trong tính toán thực dụng thường dùng phương pháp đồ thị để dựng các đặc tính điều chỉnh. Thủ tục được tiến hành như sau:

-          Dựng đặc tính  của động cơ ở góc dưới bên trái, đặc tính này có thể dựng được khi sử dụng sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ.

-          Dựng đặc tính cơ tự nhiện và đặc tính cơ điện trở phụ ở góc trên bên phải theo các bước như đă hướng dẫn phần mô tả về đặc tính cơ.

-          Sử dụng đặc tính , đặc tính M(s) và công thức  s = const ta dựng được họ đặc tính có điều chỉnh khi  lấy các giá trị khác nhau.

V́ đặc tính cơ của hệ hở là rất dốc nên thường dùng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ làm việc và mở rộng dải điều chỉnh (H.5-3).

EYETECK.VN

Theo Chương 5, mục 5-1. Điều chỉnh tốc độ động cơ – Tài liệu Truyền Điện Động

Tác giả: Bùi Quốc Khánh

Nguyễn Văn Liễn

Nguyễn Thị Hiền

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật