Đề tài Thiết kế bộ khởi động cho động cơ không đồng bộ ba pha bằng Thyristor

n các kết cấu khác hoàn toàn giống như động cơ rôto lồng sóc thường. Mặc dù động cơ điện này có vài đặc tính làm việc hơi xấu hơn động cơ điện thường nhưng vì cải thiện được đặc tính mở máy nên vẫn sử dụng rộng rải. * Nguyên lý đối với động cơ điện rôto rãnh sâu: Động cơ điện rôto rãnh sâu lợi dụng hiện tượng từ thông tản trong rãnh rôto gây nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện để cải thiện đặt tính mở máy. Để tăng hiệu ứng mặt ngoài thì rãnh rôto phải có hình dáng vừa hẹp, vừa sâu, thường tỷ lệ với chiều cao và chiều rộng vào khoảng ( 10 – 12 ). Thanh dẫn đặt trong rãnh được xem như là gồm nhiều rãnh dẫn nhỏ, đặt xếp chồng lên nhau theo chiều cao và hai đầu được nối ngắn mạch lại bởi hai vành ngắn mạch. Vì vậy điện áp hai đầu các mạch song song đó bằng nhau, do đó sự phân phối dòng điện trong các mạch phụ thuộc vào điện kháng tản của chúng. Khi mở máy lúc đầu dòng điện dây quấn rôto có tần số lớn hơn ( bằng tần số lưới f1 ). H I X 0 Hình 1 – 24: Đồ thị phân bố dòng điện theo chiều cao. Ở đáy rãnh từ thông tản móc vòng càng nhiều, càng lên phía miệng rãnh thì từ thông tản càng ít. Do đó điện kháng ở đáy rãnh lớn còn phía miệng rãnh nhỏ. Vì vậy dòng điện sẽ tập trung phía miệng rãnh, sự phân bố của dòng điện theo chiều cao của rãnh như ( H1 - 24) Kết quả dòng điện tập trung lên phía trên, tiết diện dây dẫn coi như bị nhỏ đi, điện trở rôto lại tăng lên vì vậy làm cho mômen mở máy tăng lên. Mặc khác dòng điện tập trung lên phía trên cũng làm giảm từ thông móc vòng đi một ít, nghĩa là x2 nhỏ đi. Hiệu ứng mặt ngoài mạnh hay yếu phụ thuộc vào tổng số hay hình dáng của rãnh. Vì vậy khi mở máy tần số cao hiệu ứng mặt ngoài mạnh, khi tốc độ của máy tăng lên tần số của dòng điện rôto giảm xuống nên hiệu ứng mặt ngoài cũng giảm đi, dòng điện dần dần phân bố lại đều hơn. Vì vậy điện trở rôto r2 được xem như nhỏ trở lại, điện kháng tản quy đổi của rôto do tần số của lưới nên x2 tăng lên đến khi máy làm việc bình thường. Do tần số của dòng điện rôto thấp ( khoảng 2 ÷ 3hz) nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài hầu như không có, do đó động cơ điện rôto rãnh sâu trên thực tế có đặc tính làm việc như các loại máy thường. * Nguyên lý đối với động cơ điện rôto hai lồng sóc: Động cơ điện loại rôto hai lồng sóc, các thanh dẫn của lồng sóc ở phía ngoài có tiết diện lớn làm bằng đồng thau có điện trở lớn. Các thanh dẫn của lồng sóc phía trong có tiết diện lớn làm bằng đồng đỏ có điện trở nhỏ, nhưng do rãnh tương đối sâu, từ thông tản nhiều nên điện kháng tản lớn. Nếu hai lồng sóc đều đúc bằng nhôm thì mới có vành ngắn mạch chung. Giữa hai lồng sóc có một khe hở nhỏ nối liền rãnh của lồng sóc ngoài với rãnh của lồng sóc trong để cho từ thông tản phân bố như hình ( H.1 – 25). t 0 X Hình 1 – 25: Đồ thị phân bố dòng điện trong hai rãnh. Như vậy ta có thể làm cho thông số của rôto thoả mãn được những yêu cầu cần thiết về tính năng mở máy của động cơ. Khi mở máy động cơ điện tần số của rôto bằng tần số lưới do điện kháng của lồng sóc trong lớn nên dòng điện chủ yếu tập trung ở lồng sóc ngoài. Ta có: I2k >> I2l Trong đó: k : chỉ lồng sóc ngoài 1V : chỉ lồng sóc trong Góc pha của hai dòng điện đó với sức điện động E2 phụ thuộc và , vk lớn, xk nhỏ còn x1v lớn, nên Ik gần cùng pha với E2 và I1v chậm sau E2 rất nhiều. Vì vậy khi mở máy lồng sóc ngoài sinh ra mômen lớn, có tác dụng chủ yếu nên gọi là lồng sóc mở máy, khi làm việc bình thường thì hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện của dòng điện yếu hẳn đi, điện kháng của lồng sóc trong nhỏ lại, dòng điện sẽ tăng lên. Do I2k gần cùng pha với E2 mà dòng điện tỷ lệ nghịch với điện trở nên I1v >> Ik. do vậy lồng sóc trong chủ yếu sinh ra mômen ta gọi là lồng sóc làm việc, Như vậy có thể coi động cơ điện có hai lồng sóc làm việc song song và đặc tính M = f(s) của loại động cơ này có thể coi như là tổng hợp các đặc tính M = f(s) của hai lồng sóc. Thay đổi kích thước dạng rãnh và khe hở giữa hai lồng sóc, dùng vật liệu khác nhau để làm thanh dẫn thì có thể thay đổi các thông số của hai lồng sóc để đạt được đặc tính M = f(s) theo ý muốn. PHẦN HAI TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC I.Chọn mạch động lực: I.1. Sơ đồ điều chỉnh điện áp: Qua phần một chúng ta đã tìm hiểu và đánh giá các phương án mở máy động cơ không đồng bộ ba pha. Ở đây động cơ có công suất P = 27KW là trung bình nên chọn phương án tối ưu để mở máy là khâu rất quan trọng để đảm bảo sự làm việc bình thường của động cơ cũng như không làm ảnh hưởng xấu đến hệ thống lưới điện. Ta biết rằng Mmm ~ U1f2 nên chọn phương án mở máy bằng cách giảm điện áp mở máy: nối Υ – Δ, dùng biến áp tự ngẫu…Nhưng phương pháp điều khiển điện áp mở máy bằng Tiristor được xem là tối ưu vì đơn giản, dễ hoạt động, vận hành, kiểm tra cũng như tổn hao ít và phù hợp với tính chất của tải trở kháng. Hiện nay có nhiều sơ đồ động lực để điều khiển điện áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristor mắc song song ngược phổ biến nhất là ba sơ đồ sau đây: a) b) c) H.2-1: Sơ đồ điện áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristor mắc song song ngược. Sơ đồ tải đấu sao có trung tính hình (H.2-1a) có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điện áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn, vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mơ các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn dây đầu ra. Đối với sơ đồ không dây trung tính như hình (H.2-1b) và (H.2-1c) có nhiều ưu điểm khác so với sơ đồ có dây trung tính. Dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời phải cung cấp xung điều khiển cho hai Tiristor của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả khi đổi thứ tự pha nguồn điện cũng có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ. I.2. Nguyên lý điều chỉnh điện áp: Qua những nhận xét đánh giá, ta chọn phương án điều chỉnh điện áp ở hình (H.2-1b) là hợp lý vì đặc thù của tải động cơ là có tính trở kháng lớn. Với cách nối các van như trên ở trạng thái xác lập luôn có dòng điện chạy qua động cơ. Vì vậy tại một thời điểm nào đó có ít nhất hai van dẫn ở hai pha khác nhau. Từ sơ đồ hình (H.2-1b) ta thấy T1, T3, T5 dẫn ở nữa chu kỳ dương còn T2, T4, T6 dẫn ở nữa chu kỳ điện áp âm. Do đó trong khi làm việc thì sơ đồ có thể ở các trạng thái như hình ( H.2-2) như sau: c’ T6 c b a T4 T1 C B A b’ T4 T1 C B A a’ H.2-2: Các trạng thái dẫn của các van. Động cơ không đồng bộ có thể coi là một phụ tia ba pha gồm điện trở và điện kháng nối tiếp nhau. Trong đó điện trở biến thiên theo tốc độ quay R = R(s) và điện cảm phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa dây quấn stato và rôt. Do đó góc pha giữa dòng điện và điện áp cũng biến thiên theo tốc độ quay φ = φ(s). Vì tính chất tự nhiên của mạch điện có điện cảm nên khi góc điều khiển α < φ mà đặc xung điều khiển vào các van bán dẫn thì các van này dẫn dòng từ thời điểm α = φ trở đi. Do đó dòng điện và điện áp của động cơ không phụ thuộc vào góc điều khiển α. Vậy ta có thể điều khiển được điện áp khi góc điều khiển α < φ. Từ sự thống nhất điều khiển của chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng và điện áp xoay chiều ba pha nên ta thấy rằng: cung cấp xung điều khiển cho điện áp xoay chiều ba pha có thể bằng xung đơn hoặc xung chùm. Cấp xung điều khiển loại nào tuỳ thuộc vào chế độ làm việc và tính chất tải. Thường gặp hiện nay trong điện áp ba pha có hai cách điều khiển: Xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển. Xung điều khiển cấp bằng xung chùm. * Điều khiển bộ điện áp ba pha bằng xung đơn: Khi góc điều khiển α của các van bán dẫn lớn, đồng thời có hai Tiristor cùng dẫn một lúc, xung điều khiển phải cung cấp đồng thời cho cả hai Tiristor. Hơn nữa, hai van được dẫn phải cấp xung theo kiểu một xung chính cần mở và một xung đệm, nguyên tắc này phải theo đúng thứ tự pha. Trên hình (H.2-3) vẽ đường cong điện áp tải và có mở van bán dẫn α lớn ( ). Để có đường cong điện áp pha A như hình vẽ, cần cấp xung điều khiển theo thứ tự pha. Mỗi Tiristor trong một chu kỳ điều khiển được cấp hai xung điều khiển, trong đó xung chính quyết định góc mở của nó, còn xung thứ hai X6 – 1 là xung đệm được nhận từ Tiristor cần mở của pha khác tới. Điện áp và dòng điện gián đoạn, vì vậy tại thời điểm cấp xung X1 không có xung đệm X1 – 4 thì Tiristor T1 không thể mở để cho dòng chạy từ pha A đến pha B. Giải thích điều này ở mạch động lực ở hình (H.2-4) và điện áp tải ở hình (H.2-3). Tại góc mở của T1 ( UA > 0 ) phát xung điều khiển X1 mở T1, đồng thời xung đệm T4 – X1 – 4 ( xung thứ hai của T4) lúc này với điện áp pha A dương hơn điện áp pha B ( UA > UB). T1 và T4 cùng dẫn, chừng nào UA còn dương hơn UB. Điện áp trên tải pha A nếu coi như là đối xứng thì . Đến t2’ do điện áp UB dương hơn UA nên T1 và T4 bị khoá ở t2’. Đến t3 là góc từ của T6 ( UC < 0 ), phát xung X6 điều khiển T6 đồng thời theo đúng thứ tự pha đệm xung X6 – 1 cho T1, lúc này do UC << UA nên T1 và T6 cùng dẫn. Tương tự như trên, hai Tiristor này sẽ cùng dẫn chừng nào UC còn âm hơn UA. Như vậy, đến t3’ điện áp UA trở nên âm hơn UC nên T6,T1 phân cực ngược sẽ bị khóa, ta có điện áp tải . Tương tự như T1,T2 được mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 và được mở với xung đệm của T5 tại t6. Khi góc mở van nhỏ, dòng điện tải ít gián đoạn hơn, lúc đó xung đệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầu thội. Do dòng điện liên tục đến cuối chu kỳ, nên xung đệm của các van là không có ý nghĩa khi đã khởi động xong. Điều này có thể giải thích cho vài trường hợp thiết kế không đúng, mạch điều khiển không đệm xung điều khiển, nhưng đôi khi Tiristor vẫn dẫn động được trong một số lần đóng điện nào đó. Hiện tượng dẫn không bình thường của Tiristor là do nhiễu: t1 t2 t3 t4 t5 t6’ X1 X6-1 X2 X5-2 X3 X2-3 X4 X1-4 X4 X4-5 X5 X5 X4-5 X3-6 X6 XT6 XT5 XT4 XT3 XT2 XT1 t3’ t5’ t6 A B C 1/2UAB 1/2UAC t2’ t t t t t t t 0 H.2-3: Hình dạng đường cong điện áp tải. * Điều khiển bộ điện áp ba pha bằng xung chùm: Ở mạch điện áp ba pha, điều khiển van bán dẫn bằng xung chùm ngoài việc giải quyết dẫn đến các van khi góc α lớn còn có thể giải quyết luôn bài toán về đệm xung điều khiển. Chúng ta giải thích điều này như sau: Tại thời điểm đóng điện chúng ta phải đệm xung mở T1 cho T4 bằng X1 – 4. Nếu điều khiển bằng xung chùm thì việc đệm xung là không cần thiết. Giả sử tại thời điểm phát xung mở T1, lúc này xung chùm của T4 đang phát chờ sẳn, hơn nữa T4 còn đang được mở chờ sẳn do T5 và T4 đã có xung điều khiển từ không. Do đó khi có xung điều khiển T1 thì T1 được mở cho dòng điện chạy qua A ngay mà không cần phải đệm xung. I.3. Sơ đồ mach động lực: Từ những phân tích trên ta chọn sơ đồ mạch động lực khởi động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc cho phương án như hình (H.2-4) sau đây: A B C AT ĐC FX K1 M R K2 R1 C1 K1 C2 R2 C2 R2 C2 R2 Uđk T6 T1 T3 T5 K2 T4 K2 T2 K2 R K1 D K1 R1 C1 R1 K1 C1 CC H.2-4: Sơ đồ mạch động lực khởi động ĐCKĐB ba pha Rôto lồng sóc bằng ba cặp Tiristor mắc song song ngược. * Nguyên lý hoạt động của mạch động lực: Đầu tiên đống Aptomat, tiếp theo ấn nút mở máy M khi đó K1 có điện các tiếp điểm K1 đóng lại. Lúc đó động cơ bắt đầu khởi động, đồng thời Rơle (R) bắt đầu tính thời gian. Sau 10s khởi động thì R có điện đóng tiếp điểm R làm cho K2 có điện và các tiếp điểm K2 đóng lại nối gằng mạch bộ biến cho động cơ làm việc với lưới. Muốn dừng động cơ ta ấn nút D thì K1 mất điện, tiếp điểm K1 mở ra ngắt điện khỏi động cơ. II.Tính toán mạch động lực: Dòng điện định mức chạy qua động cơ được xác định theo công thức: (2 – 1) Ta khống chế dòng khởi động bằng cách điều khiển điện áp đặt vào stato của động cơ phụ thuộc vào góc điều khiển α sao cho: Ikđ = Kkđ.Iđm : ( Kkđ = 2 ÷ 2,5: hệ số khởi động). Chọn Kkđ = 2,5 khi đó ta có: Ikđ = 2,5.90,38 = 227,05 (A) II.1.Chọn Tiristor cho mạch động lực: Ta chọn Tiristor theo dòng điện khởi động và điện áp đặc lên động cơ qua Tiristor là điện áp dây. Khi Tiristor chịu được dòng mở máy thì chịu được dòng điện định mức. Nhưng Tiristor chỉ dẫn dòng ở nửa chu kỳ của điện áp, do đó dòng điện lớn nhất mà Tiristor chịu là: (2 – 2) Để van dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt chúng ta chọn van theo điều kiện làm việc có làm mát bằng quạt gió đối lưu không khí thổi dọc theo khe hở của cánh tản nhiệt. Nếu ta chọn van chịu được 60% dòng điện định mức thì ta có: (2 – 3) Khi đó điện áp ngược của van được xác định theo công thức: (2 – 4) Trong đó: Knv = : Hệ số an toàn của van được tra trong bảng 1 trang 22 tài liệu “ thiết kế điện tử công suất” của tác giả Trần Văn Thịnh. Điện áp định mức cảu van cần chọn là: (2 – 5) Trong đó: Kdt = 1,7: Hệ số dự trử điện áp của van Kdt = ( 1,2 ÷ 2,2) Tra bảng PL.2 tài liệu “thiết kế điện tử công suất” ta chọn được Tiristor có các thông số kỹ thuật sau đây: Ký hiệu: SH200N21D Điện áp ngược cực đại: Unvmax = 1000 (V) Dòng điện làm việc cực đại: Iđmmax = 200 (A) Dòng điện đỉnh cực đại: IpiKmax = 4000 (A) Dòng điện xung điều khiển: Ig = 150 (mA) Điện áp xung điều khiển: Ug = 3,0 (V) Thời gian chuyển mạch: tcm = 80 μs Sụt áp trên Tiristor: ΔU = 1,7(V) Đạo hàm điện áp: Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 1250C II.2. Tính chọn bảo vệ cho van: II.2.1. Bảo vệ quá dòng cho van: * Chọn Atômat: Atômat là loại khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi có sự cố quá tải, ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Ở mạch động lực khi cần chọn Atômat thoả mãn các thông số kỹ thuật sau đây: Dòng điện làm việc chạy qua Atômat: IđmA = 1,1.Iđm (2 – 6) = 1,1.90,82 = 99,90 (A) Điện áp định mức đặc vào Atômat: UđmA = 380 ( V) Có ba tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hay nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch chạy qua Atômat: Inm = 2,5.Iđm ( 2 – 7) = 2,5.90,82 = 227,05 (A) Chỉnh định dòng quá tải chạy qua Atômat: IqtA = 1,5.Iđm (2 – 8) = 1,5.90,82 = 136,23 (A) Tra tài liệu “Hệ thống cung cấp điện” của tác giả Nguyễn Công Hiền và Nguyễn Mạnh Hoạch ta chọn Atômat có các thông số sau: Loại: Xoay chiều Kiểu kế cấu: NS 225 E Số cực: 3 Dòng điện định mức: IđmA = 400(A) Điện áp định mức: UđmA = 380(A) II.2.2. Bảo vệ quá áp cho van: Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Thường là do những nguyên nhân cơ bản sau đây: Điện áp đặt vào van lớn hơn thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch của van. Xung điện áp từ phí lưới xoay chiều, nguyên nhân là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. Xung điều khiển do cắt đột ngột máy biến áp non tải. * Bảo vệ quá áp cho van do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với Tiristor. Đây là phương pháp đơn giản và hiệu quả. Sơ đồ nguyên lý: R2 C2 T2 T1 H.2-5: Mạch R – C bảo vệ quá áp do chuyển mạch. Khi có sự cố chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm gây quá điện áp giữa Anod và Catot của Tiristor. Khi có mạch R – C mắc song song với Tiristor tạo ra vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá áp. Trong đó các thông số R2 và C2 được xác định dựa vào “Tài liệu thiết kế điện tử công suất” sao cho: R = ( 5 ÷ 30 ) Ω C = ( 0,5 ÷ 4 ) μF Vậy ta chọn các thông số của mạch bảo vệ như sau: R = 20 Ω C = 1,5 μF * Bảo vệ quá áp cho van khi có xung điện áp từ lưới ta mắc mạch R– C như hình ( H.2-6). Nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở dây. R1 C1 R1 R1 C1 C1 H.2-6: Mạch R – C bảo vệ quá áp từ lưới. Trong đó các thông số R1 và C1 được xác định dựa vào “Tài liệu thiết kế điện tử công suất”. ở đây ta chọn: R1 = 20Ω C1 = 4μF II.2.2.3. Bảo vệ quá nhiệt cho van: Khi làm việc nếu có xãy ra ngắn mạch hay quá tải thì dòng điện chạy trong mạch rất lớn, chính dòng điện lớn này chạy qua van. Mà trên van có sụt áp ΔU do đó có tổn hao công suất ΔP lớn, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng và có thể làm phá hỏng van. Mặc khác van chỉ có thể làm việc dưới nhiệt độ cho phép của nó, nên quá áp nhiệt độ cho phép của nó thì van bị chọc thủng. Để van làm việc an toàn và không bị chọc thủng do nhiệt thì ta phải thiết kế hệ thống toả nhiệt và làm mát hợp lý. Tổn hao công suất trên một Tiristor được xác định theo công thức: ΔP = ΔU.Iđm (2 – 9) = 1,7.90,82 = 154,39 (W) > 100 (W) Diện tích bề mặt toả nhiệt được xác định theo công thức: ( 2 – 10) Trong đó: : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. τ = Tlv – Tmt : Chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Với : Tlv = 800C: Nhiệt độ cánh toả nhiệt khi Tiristor làm việc định mức Tmt = 400C : Nhiệt độ của môi trường. Suy ra: τ = 80 – 40 = 400C Vậy: Ta chọn thiết bị toả nhiệt bằng nhôm có 16 cánh toả nhiệt. Mổi Tiristor được toả nhiệt về hai phía và làm mát cưỡng bức bằng quạt gió. Vì ở đây tổn hao trên Tiristor quá lớn nên chỉ dùng cánh tản nhiệt để làm mát thì kích thước thật của cánh tản nhiệt quá lớn nên cồng kềnh và nhiệm vụ làm mát không đảm bảo. b a h1 h z c h0 H.2-7: Cánh tản nhiệt cho Tiristor Kích thước của cánh tản nhiệt được chọn là: a = 15 (mm) b = 15 (mm) Vậy diện tích thật của cánh tản nhiệt là: Stnt = 2.16.15.15 = 7200( mm2) = 0,72 m2 Vậy điều kiện làm mát được đảm bảo II.2.4. Chọn thiết bị đóng cắt: Để thực hiện việc đóng cắt và điều khiển mở máy động cơ theo đúng yêu cầu thì cần phải mắt hai công tắc tơ K1, K2 như hình ( H.2-4) trong đó: K1: có nhiệm vụ đóng cắt mạch động lực khi cần thiết và được điều khiển bằng hai nút ấn M và D K2: có nhiệm vụ nối ngắn mạch bộ biến đổi khi khởi động song và được điều khiển bằng Rơle thời gian R. Như vậy ta có thể chọn công tắc tơ K1 và K2 giống nhau. Tra Tài liệu “Hệ thống cung cấp điện” của tác giả Nguyễn Công Hiền và Nguyễn Mạnh Hoạch ta chọn các công tắt tơ có các thông số kỹ thuật sau: Loại: Xoay chiều Dòng điện định mức qua tiếp điểm: Iđmc = 400(A) Điện áp định mức: Uđm = 400(V) Có 4 tiếp điểm, trong đó có 1 tiếp điểm duy trì và 3 tiếp điểm động lực Chọn Rơle thời gian có các thông số kỹ thuật sau: Loại: Dòng điện Dòng điện định mức: Iđm = 400(A) Điện áp định mức: Uđm = 380(V) III.Tính toán các đặc tính: III.1. Đặc tính tự nhiên: Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha có các thông số sau: Công suất định mức : Pđm = 27 KW. Tần số định mức : fđm = 50 Hz. Điện áp định mức : Uđm = 220/380V. Tốc độ định mức : nđm = 975( vg/ph). Hệ số góc định mức : cosφđm = 0,83. Hiệu suất: ηđm = 0,94. Tỷ số : Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ( phương trình CLOSS): ( 2 – 11) Tại thời điểm làm việc định mức ta thay s = sđm vào phương trình (2 - 11) ta có: ( 2 – 12) Tại thời điểm khởi động ( mở máy ) thì s = 1, thay vào phương trình (2 –12) ta có: ( 2 – 13) Mặc khác ta có biểu thức gần đúng: Mkđ = λkđ.Mđm ( 2 – 14) Mth = λmax.Mđm ( 2 – 15) Trong đó: λkđ và λmax : là bội số mômen khởi động và bội số mômen cực đại của động cơ. Ta có thể lập được hệ phương trình như sau: ( 2-16) và (2-17) Trong đó: Phương trình (2-16) là phương trình mômen lúc định mức. Phương trình (2-17) là phương trình mômen lúc khởi động nhưng ta thay: Mkđ = λkđ.Mđm v à Mth = λmax.Mđm Rút gọn phương trình trên bằng cách chia hai vế của phương trình cho Mđm ta có: (2-18) và (2-19) Với: Mặc khác từ phương trình (1-1) và (1-2) trong phần 1 ta có: Trong đó: Với p = 3: là hệ số đôi cực của động cơ. Suy ra: Thay các giá trị trên vào hệ phương trình (2-18) và (2-19) ta được: (2 – 20) và (2 – 22) Giải hệ phương trình trên ta được: và Mômen định mức của động cơ được xác định theo công thức: (2 – 22) Suy ra: Mth = λmax.Mđm = 2,6.270 = 702 (N.m) Thay các giá trị sth = 0,425, α = 8,63 và Mth = 702 (N.m) vào phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ( 2- 11) ta được: Thay các giá trị s tương ứng ta nhận được các giá trị của M trong bảng sau: s 0 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 M(N.m) 0 230 412 542 624 660 681 693 s 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 M(N.m) 702 700 743 683 672 660 648 Bảng 1: Bảng giá trị của đặc tính tự nhiện. Các đường đặc tính của động cơ được biểu diễn ở hình (H.2-7): Đường đặc tính cơ M = f(s) của động cơ KĐB 0 200 400 600 800 1000 s 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 n M Đường đặc tính điều chỉnh động cơ KĐB 1 H.2-8: Đường đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh của động cơ KĐB. III.2. Tính toán điện áp lúc đầu đặt lên động cơ: Khi mở máy động cơ thì lúc đầu rôto đứng yên ( n = 0) cho nên từ trường quay của dây quấn stato xuyên qua dây quấn rôto nhiều nhất. Do đó nó cảm ứng trong dây quấn rôto một dòng điện cũng rất lớn, nghĩa là ở dây quấn stato cũng xuất hiện một vòng điện rất lớn thông thường: Ikđ = (5 ÷ 7)Iđm (2 – 23) Mặc dù thời gian khởi động ngắn nhưng nó cũng gây sụt áp lưới điện và gây phát nóng động cơ, tổn hao lớn, có thể gây hỏng động cơ và các thiết bị khác. Để khắc phục nhược điểm đó người ta phải giảm Ikđ sao cho toả mãn với các thông số kỹ thuật của động cơ như dòng điện mở máy cho phép: Icp = ( 2 ÷ 2,5 ) Ikđ (2 – 24) Do đó người ta tìm cách mở máy thích hợp cho từng loại tải, từng loại động cơ. Nhưng ở động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thường sử dụng phương pháp mở máy bằng cách hạ điện áp đặt vào cuộn dây stato để hạn chế dòng điện khởi động. Khi đó điện áp lúc đầu đặt vào động cơ được xác định: ( 2 – 25) Trong đó: Xnm = X1 + X’2 : Điện kháng ngắn mạch. Vậy: ( 2 – 26) Vì động cơ có công suất P = 27KW là trung bình nên thường thì R1 rất bé so với Xnm lúc này có thể coi R1 . Khi đó ta có biểu thức gần đúng: ( 2 – 27) ( 2 – 28) ( 2 – 29) Thay biểu thức ( 2 – 28) vào biểu thức (2- 29) ta được: ( 2 – 30) Trong đó: : Tốc độ đồng bộ của đông cơ. Khi khởi động động cơ thì dòng khởi động rất lớn nếu ta khống chế Ikđ = Icp = ( 2 ÷ 2,5)Iđm thì điện áp lúc đầu đặc vào động cơ là: ( 2 – 31) = * Tính toán đặc tính điều chỉnh ứng với điện áp ban đầu: Khi Tiristor làm việc ta có thể bỏ qua điện trở của nó và lúc góc mở α = 0, tức là Uđk = Uđkmax thì ta có điện áp ra của bộ biến đổi đặt lên động cơ là Uđm. Lúc đó ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên như đường cong 1 hình (H.2-8). Dựa vào đặc tính cơ tự nhiên và điện áp lúc đầu đặt vào động cơ Ux ta có thể xây dựng đặc tính điều chỉnh của động cơ như sau: Hệ số tương đối giữa điện áp ban đầu và điện áp định mức là: ( 2 – 32) Mà mômen của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp theo biểu thức: M1 = M.γ2 ( 2 – 33) Từ đó ta lập bảng giá trị của đặc tính điều chỉnh của động cơ là: s 0 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 M(N.m) 0 178 319 420 483 511 527 537 s 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 M(N.m) 544 542 575 529 520 511 502 Bảng 2: Bảng giá trị của đặc tính điều chỉnh. Từ bảng này ta có thể biểu diễn đặc tính điều chỉnh ứng với điện áp Ux như đường 2 hình (H.2-8). III.3.Tính toán góc mở α ứng với các trường hợp sau: Trong việc điều chỉnh thiết bị nghịch lưu thì việc tạo thời điểm cho xung mơ Tiristor là một khâu rất quan trong. Tiristor thường được điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng. Nguyên tắc bày thời điểm phát xung mở là thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển và điện áp tựa. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa và trùng pha với điện áp Anod của Tiristor nên nó mở α được xác định như sau: t U Udk Urc φ π 2π φ 3π H.2-2: Đồ thị điện áp khi xác định góc mở φ. Ta có đẳng thức: ( 2 – 34) Trong đó: α: là điện áp điều khiển A: là biện độ của điện áp răng cưa Dưa vào bảng 1 trang 22 “ Tài liệu thiết kế điện tử công suất” chọn biểu thức tính điện áp tải: ( 2 – 35) Nếu chúng ta cho Tiristor mở hoàn toàn thì điện áp tải chính là điện áp lưới điện. Khi đó góc mở φ được xác định như sau: Nếu cho Tiristor mở với điện áp tải là Ux thì góc mở φ được xác định như sau: Để xác định các thông số điều khiển thì ta phải chọn điện áp ra của khâu đồng pha là Urc = 12V Khi đó: A = Urc = 12V Từ biểu thức (2 – 34) ta có: ( 2 – 36) Nếu Tiristor mở ứng với điện áp định mức thì điện áp điều khiển được xác định: Nếu Tiristor ứng với điện áp tại Ux thì điện áp điều khiển được xác định như sau: Từ các số liệu tính toán ta có thể lập bảng: φ U Uđk Ux 00 40,18 0 2,679 220 194 Bảng 3: Các thông số điều khiển III.4. Các thông số điều khiển: Ta khảo sát quá trình quá độ của hệ khi không có phụ tải (Mc = 0). Lúc đó đặc tính cơ của động cơ có thể biểu diễn bởi phương trình CLOSS như sau: ( 2 – 37) Từ phương trình chuyển động của động cơ là: ( 2 – 38) Ta thay Mc = 0 và cân bằng 2 mômen từ phương trình (2-37) và (2-38) ta được: